DE3643569A1

DE3643569A1 - Analysator fuer optische frequenzen

Info

Publication number: DE3643569A1
Application number: DE19863643569
Authority: DE
Inventors: Hideto Iwaoka; Akira Ohte; Koji Akiyama
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1985-12-20
Filing date: 1986-12-19
Publication date: 1987-06-25
Anticipated expiration: 2006-12-20
Also published as: GB8630375D0; GB2185567A; US4856899A; GB2185567B; DE3643569C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Analysator für optische Frequenzen, der sehr genau ist und ein hohes Auflösungsvermögen hat.

Es lassen sich folgende Arten herkömmlicher Analysatoren für optische Frequenzen unterscheiden:

(A) Analysatoren für optische Frequenzen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß ein Beugungsgitter oder ein Prisma als Spektroskop verwendet wird.

(B) Analysatoren für optische Frequenzen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß ein Fabry-Perot-Resonator als Spektroskop verwendet wird.

Zum besseren Verständnis der folgenden Erläuterungen wird bereits an dieser Stelle auf die Zeichnungen Bezug genommen.

Gemäß Fig. 1 sind zwei halbdurchlässige Spiegel HM einander gegenüber angeordnet und bilden so den Resonator. Es wird angenommen, daß die Lichtgeschwindigkeit c ist, und daß der Abstand zwischen den halbdurchlässigen Spiegeln L ist. Dieser Resonator hat, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Resonanzfrequenz mit einem Frequenzintervall von c/2L. Wenn das zu messende Licht, welches durch den linken halbdurchlässigen Spiegel HM einfällt, eine mit der Resonanzfrequenz übereinstimmende Frequenz aufweist, dann tritt es durch den halbdurchlässigen Spiegel und fällt auf das Licht empfangende Element PD. Läßt man den halbdurchlässigen Spiegel HM mittels eines PZT o. ä. oszillieren, um die Resonanzfrequenz zu wobbeln, kann das Spektrum des zu messenden Lichts am Ausgang des Licht empfangenden Elements PD 1 betrachtet werden.

Bei dem Analysator für optische Frequenzen gemäß (A) liegt das Wellenlängen-Auflösungsvermögen im Bereich von 0,1 nm, was etwa 30 GHz entspricht, während die absoluten Genauigkeit etwa 2 nm beträgt, was etwa 600 GHz entspricht. Diese Ergebnisse sind ungenügend. Andererseits ist das Frequenz-Auflösungsvermögen des Analysators für optische Frequenzen gemäß (B) auf einige zig MHz begrenzt. Wenn die Messung dadurch ausgeführt wird, daß Licht mit einer Referenzwellenlänge eingegeben wird, kann die absolute Wellenlänge gemessen werden. Das Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und die Genauigkeit schlecht, was auf der Genauigkeit der Parallelausrichtung der Spiegel, der Einstellung des senkrechten Lichteinfalls oder auf Frequenzfehlern beruht, die auf Abstandsänderungen zwischen den Spiegeln zurückzuführen sind. Ein weiterer Nachteil ist, daß es unmöglich ist, gleichzeitig Laserstrahlen zu messen, die auf mehrere Arten oszillieren.

Frequenzmessungen mit einer Genauigkeit von 1 MHz oder weniger und mit hohem Auflösungsvermögen sind bei der zukünftigen Kommunikation mit kohärentem Licht und bei Photo-Messungen erforderlich. Daher sind die oben beschriebenen Analysatoren für optische Frequenzen unzureichend.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Vorrichtung zur Messung der Wellenlängencharakteristik der Dämpfung bzw. Übertragungsverluste in optischen Fasern. Das Ausgangslicht einer Lichtquelle VL zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge tritt in eine auszumessende Faser MF ein. Das austretende Licht wird mit Hilfe eines Photo-Detektors PD erfaßt. Das so erfaßte Licht wird an eine Verstärker/Anzeige-Einrichtung DP abgegeben. Die Eigenschaften der Wellenlänge werden an Hand der Lichtstärke-Änderungen gemessen, die sich beim Wobbeln der Ausgangswellenlänge der Lichtquelle VL zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge ergeben.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Einrichtung zur Messung der Wellenlängendispersion in optischen Fasern. Eine Lichtquelle VL und eine Referenzwellenlängen- Lichtquelle SL werden mit der Frequenz f mittels einer Modulationssignal-Quelle Ef amplitudenmoduliert. Der Photo-Detektor PD erfaßt die Stärke des optischen Ausgangssignals sowohl der auszumessenden Faser MF, auf die das Ausgangslicht der Lichtquelle VL trifft, als auch die der Referenzfaser SF, auf die das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle SL trifft. Phasendifferenzen in den Anteilen der Frequenz f zwischen den beiden Fasern werden mittels einer Phasenmeßvorrichtung PS erfaßt, wodurch die Verzögerungszeit der auszumessenden Faser hinsichtlich der Wellenlänge gemessen wird.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Meßvorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß die optischen Phasennacheileigenschaften nicht mit hoher Genauigkeit gemessen werden können. Messungen sind nur bei einem Lichtpfad gewisser Länge, wie z. B. bei optischen Fasern, möglich. Dagegen können Messungen bei kurzen Wellenleitungspfaden nicht durchgeführt werden. Messungen der Ausbreitungseigenschaften bezüglich Verlusten, Verstärkung, Phase und Verzögerung sowie der Reflektionseigenschaften sind zur Prüfung von optischen Fasern, eines Lichtleitungspfades, eines Wellenlängenaufspaltungsfilters, eines optischen Schalters sowie eines OEIC wichtig. All diese Teile sind wesentliche Elemente der zukünftigen kohärentes Licht verwendenden Technik. Die o. g. Meßvorrichtungen sind jedoch nicht ungeeeignet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der genannten Nachteile, einen Analysator für optische Frequenzen zu schaffen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß mit dem einfallenden Licht zusammenhängendes Licht auf einen optischen Interferenz-Detektor gemeinsam mit dem frequenzgewobbelten Licht auftrifft, welches von einem Optischen Frequenz-Wobbler abgegeben wird, und daß ein elektrisches Signal mit einer der Differenz zwischen den beiden Frequenzen entsprechenden Frequenz abgegeben und dann mittels einer Verstärker/Anzeige- Einrichtung verarbeitet wird, wobei ein Filter zwischengeschaltet ist, wodurch die Frequenzeigenschaften eines auszumessenden Objekts mit hoher Genauigkeit, Auflösung und Stabilität gemessen werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Diagramme, die das Prinzip herkömmlicher Analysatoren für optische Frequenzen wiedergeben;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Vorrichtung zur Messung der Eigenschaften der Wellenlängenverluste einer optischen Faser;

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Einrichtung zur Messung der Wellenlängendispersionseigenschaften einer optischen Faser;

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, einen Spektralanalysator für optische Frequenzen;

Fig. 6 ein Zeitdiagramm, welches die Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 5 erläutert;

Fig. 7 ein Blockdiagramm, welches die Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 5 erläutert;

Fig. 8 ein Blockdiagramm eines weiteren Aufbaubeispiels eines Photo-Verstärkers 2 a;

Fig. 9 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, ein anderes Ausführungsbeispiel des Spektralanalysators für optische Frequenzen;

Fig. 10 ein Blockdiagramm, welches eine eine Markierung aufweisende Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung gemäß Fig. 9 darstellt;

Fig. 11 ein Spektraldiagramm, welches das Markierungssignal- Ausgangssignal Em auf der Grundlage der Frequenzbereiche der Vorrichtung gemäß Fig. 10 wiedergibt;

Fig. 12 ein Blockdiagramm einer Bauvariante der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge gemäß Fig. 10;

Fig. 13 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung gemäß Fig. 9;

Fig. 14 ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels der Markierungslicht-Quelle der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung gemäß Fig. 9;

Fig. 15 ein Diagramm einer charakteristischen Kurve, welche die Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 14 erläutert;

Fig. 16 ein Diagramm eines fünften Ausführungsbeispiels der Markierungslicht-Quelle der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung gemäß Fig. 9;

Fig. 17 ein Blockdiagramm eines sechsten Ausführungsbeispiels der Markierungslicht-Quelle der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung gemäß Fig. 9;

Fig. 18 ein Diagramm einer charakteristischen Kurve, die die Funktion der in Fig. 17 dargestellten Vorrichtung erläutert;

Fig. 19 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines abstimmbaren Lasers 12 a in der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge gemäß Fig. 10;

Fig. 20 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des abstimmbaren Lasers 12 a;

Fig. 21 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des abstimmbaren Lasers 12 a;

Fig. 22 eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des abstimmbaren Lasers 12 a;

Fig. 23 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14 a in der Vorrichtung gemäß Fig. 10;

Fig. 24 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, nämlich einen Netzwerkanalysator für optische Frequenzen;

Fig. 25 ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, welches einen anderen Aufbau des Netzwerkanalysators für optische Frequenzen wiedergibt;

Fig. 26 ein Blockdiagramm des grundsätzlichen Aufbaus eines Ausführungsbeispiels des Generators (Synthesizers)/ Wobblers (Sweepers) für optische Frequenzen der Vorrichtung gemäß den Fig. 5 und 24;

Fig. 27 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß Fig. 26;

Fig. 28 ein Diagramm einer charakteristischen Kurve, welche die Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 27 erläutert;

Fig. 29 ein Diagramm der Energieniveaus von Rb-Gas;

Fig. 30 ein Blockdiagramm eines zum Teil veränderten Ausführungsbeispiels der in Fig. 27 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 31 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des in Fig. 26 dargestellten Aufbaus;

Fig. 32 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der Generators/Wobblers für optische Frequenzen, eine Mehrfachlichtquelle für optische Frequenzen;

Fig. 33 ein Diagramm einer charakteristischen Kurve, die das Frequenzspektrum des Ausgangslichts der in Fig. 32 dargestellten Vorrichtung wiedergibt;

Fig. 34 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, welcher für die Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s oder für die Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14 a Verwendung findet;

Fig. 35 ein Diagramm einer Hyperfeinstruktur eines Energieniveaus eines Cs-Atoms;

Fig. 36 ein Diagramm der auf Cs-Atome beruhenden optischen Absorption;

Fig. 37 ein Diagramm, welches die Funktionen der Vorrichtung gemäß Fig. 34 wiedergibt;

Fig. 38 ein zweites Diagramm einer charakteristischen Kurve, die Funktionen der in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung erläutert;

Fig. 39 ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines zweiten Ausführungsbeispiels der frequenzstabiblisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 40 ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines optischen Systems eines dritten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 41 ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 42 ein Diagramm des Ausgangssignals eines Lock-in- Verstärkers in der in Fig. 41 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 43 ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines fünften Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 44 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines sechsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 45 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines siebten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 46 einen Schnitt durch den wesentlichen Teil eines achten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 47 ein Diagramm, welches Funktionen der in Fig. 46 dargestellten Vorrichtung wiedergibt;

Fig. 48 ein Blockdiagramm eines neunten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 49 ein Diagramm, welches Funktionen der in Fig. 48 dargestellten Vorrichtung wiedergibt;

Fig. 50 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines zehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, wobei ein leicht abgewandelter Aufbau der Vorrichtung gemäß Fig. 48 wiedergegeben ist;

Fig. 51 ein Blockdiagramm eines elften Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 52 ein Diagramm, welches Funktionen der Vorrichtung gemäß Fig. 51 wiedergibt;

Fig. 53 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines elften Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 54 ein Blockdiagramm eines dreizehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 55 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines vierzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 56 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 57 ein Blockdiagramm eines sechzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 58 und 59 Diagramme, die ein Ausgangssignal eines Lock-in-Verstärkers in der Vorrichtung gemäß Fig. 57 wiedergeben;

Fig. 60 ein Blockdiagramm eines siebzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 61 ein Blockdiagramm eines achtzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 62 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines neunzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 63 bis 65 Diagramme der Zeeman-Aufteilung der Energieniveaus des Cs-Atoms;

Fig. 66 ein Blockdiagramm eines zwanzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, wobei die Anordnung in eine integrierte Schaltung abgewandelt wurde.

Fig. 67 eine Tabelle, welche die Verwirklichung der Komponenten der in Fig. 66 dargestellten Anordnung wiedergibt;

Fig. 68 und 69 perspektivische Ansichten des wesentlichen Teils eines anderen Ausführungsbeispiels der Anordnung gemäß Fig. 66;

Fig. 70 bis 72 Schnitte durch wesentliche Teile der Anordnung;

Fig. 73 eine Draufsicht eines einundzwanzigsten Ausführungsbeipiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers;

Fig. 74 und 75 sind Ansichten des wesentlichen Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß Fig. 73;

Fig. 76 ein Blockdiagramm eines zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers und

Fig. 77 ein Diagramm, welches die Funktionen der in Fig. 76 dargestellten Vorrichtung erläutert.

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Analysators für optische Frequenzen, bei dem ein Spektralanalysator für optische Frequenzen gebildet wird. Doppellinien mit einem Pfeil bezeichnen den Verlauf eines Photo-Signals, während mit einem Pfeil versehene einfache Linien den Verlauf elektrischer Signale anzeigen. Mit 1 a wird eine Polarisations- Steuerung bezeichnet, die einen Kristall mit magneto-optischer Wirkung (YIG, Bleiglas o. ä.) aufweist. Zu messendes Licht wird als Meßobjekt definiert und ist so ausgerichtet, daß es als einfallendes Licht auftrifft. Mit 2 a wird ein Photo-Verstärker bezeichnet, in den das Ausgangslicht der Polarisations-Steuerung 1 a eingegeben wird. 3 a bezeichnet eine örtliche Oszillationseinrichtung, welche einen Wobbler für optische Frequenzen umfaßt. Mit HM 1 a wird ein halbdurchlässiger Spiegel bezeichnet, in den Strahlen des Ausgangslichts der Oszillationseinrichtung 3 a sowie des Photo-Verstärkers 2 a einfallen gelassen werden. 4 a bezeichnet einen optischen Interferenz-Detektor, der eine PIN-Photo-Diode, eine Lawinen-Photo-Diode oder ähnliches aufweist, und in den das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM 1 a eingegeben wird. Mit 5 a wird ein Filter mit Bandpaßeigenschaften bezeichnet, in den elektrische Ausgangssignale des optischen Interferenz-Detektors 4 a eingegeben werden, und der diese Signale verstärkt. 6 a steht für einen Detektor, in den die elektrischen Ausgangssignale des Filters 5 a eingegeben werden. Mit 7 a wird eine Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung bezeichnet, in die elektrische Ausgangssignale des Detektors 6 a eingegeben werden. Die örtliche Oszillationseinrichtung 3 a umfaßt folgende Elemente: einen Wobbelsignal-Generator 32 a, eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s; einen optischen fasenverriegelten Kreis, einen optischen PLL, in den das Ausgangslicht der Referenzwellen- Lichtquelle eingegeben wird und der so angeordnet ist, daß das Wobbeln der Frequenz durch den Wobbelsignal- Generator 32 a gesteuert und daß dessen Ausgangssignal an den halbdurchlässigen Spielgel HM 1 a abgegeben wird. Der Photoverstärker 2 a weist einen GaAlAs- Laser (780 nm-Bereich) und einen InGaAsP-Laser (1500 nm-Bereich) auf und kann folgende drei Verstärkerarten umfassen:

(A) Der erste ist ein sogenannter Fabry-Perot-Hohlraum- Verstärker, in dem man einen elektrischen Vorspannungsstrom nahe der Oszillationsschwelle fließen und ein Signallicht auf die Laserdiode fallen läßt, wodurch lineare Photoverstärkung durch induktive Emission erfolgt.

(B) Der zweite ist ein sogenannter Injektionsverstärker (Injection Locking Amplifier), bei dem das Signallicht auf die Laserdiode fällt, die weiter oszilliert, und bei dem sowohl die optische Frequenz als auch die Phase des oszillierenden Lichts gesteuert werden.

(C) Der dritte ist ein sogenannter Wanderwellen-Verstärker, bei dem beide Endflächen des Laserdiodenchips nichtreflektierend beschichtet sind und die Photo-Verstärkung lediglich durch die Übertragung des Signallichts erfolgt.

Die Funktion des so aufgebauten Spektralanalysators für optische Frequenzen wird im folgenden ausführlich beschrieben: Die örtliche Oszillationseinrichtung 3 a weist einen Generator/Wobbler für optische Frequenzen (der unten genauer erläutert wird), der die Wellenlänge des Ausgangslichts des optischen PLL 2 s mittels des Ausgangssignals des Wobbelsignal-Generators 32 a wobbelt. Der optische PLL 2 s mit einer optischen Ausgangsfrequenz ω o steuert eine Wellenlänge des Lichtausgangssignals so, daß es der Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s entspricht, deren Ausgangslichtfrequenz ω s ist. Mit dieser Anordnung ist es möglich, lokales Oszillationslicht mit hoher Genauigkeit, Stabilität und spektraler Reinheit abzugeben.

Wenn das zu messende Licht mit einer Frequenz ω i in die Polarisations-Steuerung 1 a eintritt, dann wird durch Steuerung eines eingeprägten magnetischen Feldes durch Ausnützung der Rotationspolarisation eines Kristalls mit magneto-optischen Eigenschaften eine Polarisationsebene des einfallenden Lichtes so ausgerichtet, daß sie mit einer Polarisationsebene des Ausgangslichts der örtlichen Oszillationseinrichtung 3 a übereinstimmt. Das Ausgangslicht der Polarisations-Steuerung 1 a wird mit Hilfe des Photo-Verstärkers 2 a verstärkt und dann mit dem Ausgangslicht der örtlichen Oszillationseinrichtung 3 a mit Hilfe des halbdurchlässigen Spiegels HM 1 a verschmolzen. Das so verschmolzene Lichtausgangssignal wird mit Hilfe des optischen Interferenz-Detektors 4 a in ein elektrisches Signal mit einer Frequenz umgewandelt, die einer Differenz ω o - ω i′ entspricht, wobei in diesem Fall allerdings die Gleichung ω i′ = ω i gilt. Das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 4 a tritt auf Grund der Bandpaßeigenschaften des Filters 5 a zum Teil durch dieses Filter und wird als Spannung von dem Detektor 6 a abgenommen. Das elektrische Ausgangssignal des Detektors 6 a wird der Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung 7 a als Spannungssignal eingegeben, der gleichzeitig ein auf der Wobbel-Form des Wobbelsignal-Generators 32 a entsprechendes Signal als axiales Frequenzsignal eingegeben wird und die dadurch das Spektrum des zu messenden Lichts anzeigt.

Die Funktionen der optischen Frequenzen wird im folgenden beschrieben:
Die Wellenlänge von l s beträgt 780 nm (eine Wellenlänge der Laser-Diode ist auf die Absorptionslinien von Rb verriegelt;
Die Wellenlänge von ω o beträgt 1560 nm ± 50 nm;
Die Wellenlänge von ω i beträgt 1560 nm ± 50 nm.

Die Betriebsbeispiele sind auf den Fall beschränkt, bei dem das zu messende Licht die geeignetste Wellenlänge für Glasfaserkommunikation aufweist und gelten besonders für die Messung der Eigenschaften (absolute Wellenlänge, Spektralverteilung und Spektralweite) der Lichtemission einer Lichtkommunikations-Laser-Diode.

In Fig. 5 wird ein Impulssynchronisationssignal in den Wobbelsignal-Generator 32 a eingegeben, um das Spektrum eines einfallenden Impulslichtes bzw. Lichtimpulses zu messen. Fig. 6 gibt ein Zeitdiagramm wieder, an Hand dessen die Funktion des oben beschriebenen Falles erläutert werden soll. Ein mit dem Impulslicht synchronisiertes Triggersignal (Fig. 6 (B)) wird dem Wobbelsignal-Generator 32 a der örtlichen Oszillationseinrichtung 3 a eingegeben. Die so synchronisierte Frequenz ω o des optischen PLL 2 s wird, wie in Fig. 6 (A) dargestellt, stufenweise gewobbelt. Gleichzeitig wird ein dem Wobbeln der Frequenz ω o entsprechendes Signal, welches identisch ist mit dem in Fig. 6 (A), an die Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung 7 a übertragen. Als Ergebnis erhält man ein Leistungsspektrum von ω o an einem Punkt für jeden Strahl des Impulslichtes. Auf diese Weise ist es möglich die gesamten Spektren des Impulslichtes gemäß Fig. 7 nach Ende des Wobbelvorgangs auszugeben. Bei dem Aufbau gemäß Fig. 5 wird das Frequenzauflösungsvermögen des Spektralanalysators für optische Frequenzen bestimmt sowohl durch die Spektralweite der Ausgangsfrequenz ω o der örtlichen Oszillationseinrichtung 3 a als auch durch die Bandbreite des Filters 5 a. Die Spektralweite der Frequenz l o wird ebenso bestimmt durch die Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge des Generators für optische Frequenzen. Darüber hinaus wird eine Laserdiode mit externem Resonator, die später an Hand der Fig. 19 bis 22 erläutert wird, verwendet, wodurch ein hervorragendes Frequenzauflösungsvermögen (100 kHz) erreicht wird.

Darüber hinaus ist es möglich, einen Spektralanalysator für optische Frequenzen hoher Genauigkeit (10^-12) bei einer absoluten Genauigkeit und hohen Stabilität (10^-12) zu erreichen.

Zusätzlich hat man den Vorteil, daß Lichtimpulse leicht gemessen werden können.

Als optischer Interferenz-Detektor 4 a können eine W-Ni(Wolfram, Nickel)-Punktkontaktdiode und ein Josephson-Element verwendet werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Bandpaßfilter als Filter 5 a verwendet. Es kann jedoch auch ein Tiefpaßfilter verwendet werden; in diesem Fall wird die optische Leistung von ω i′ erfaßt, so daß bei dem Wobbeln der Frequenz ω o die Gleichung ω i′ = ω o gilt.

Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels eines anderen Aufbaus des Photo-Verstärkers 2 a. Das Bezugszeichen OC 1 a bezeichnet einen örtlichen Oszillator mit einer Lichtausgangsfrequenz l _L, der eine zweite wellenlängenstabilisierte Lichtquelle aufweist. OAa bezeichnet einen Photo-Verstärker, in den das Lichtausgangssignal der Polarisations-Steuerung 1 a eingegeben wird. Mit OX 1 a wird eine optische Frequenz-Mischstufe bezeichnet, die einen nichtlinearen optischen Kristall aufweist, und in die das Ausgangssignal des Photo-Verstärkers OAa und das Lichtausgangssignal des örtlichen Oszillators OC 1 a eingegeben werden. Bei einer Anordnung wird auf Grund der nichtlinearen optischen Wirkungen die Lichtausgangsfrequenz ω i′ der optischen Frequenz- Mischstufe OX 1 a durch folgende Gleichung gegeben: ω i′ = ω i + ω _L. Als örtlicher Oszillator OC 1 a ist am besten ein Generator/Wobbler für optische Frequenzen, wie er an Hand von Fig. 27 beschrieben wird, geeignet, der eine sehr genaue Frequenz ω _L abgibt. Bei Verwendung eines solchen Photo-Verstärkers wird der Meßfrequenzbereich ebenfalls erweitert, nicht jedoch der Wobbelbereich ω o. Wenn der örtliche Oszillator OC 1 a in der Lage ist, mehrere Frequenzen ω _L1, ω _L2, . . . abzugeben, kann man einen weiteren Wobbelbereich erreichen.

Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, wobei ein weiteres Beispiel eins Spektralanalysators für optische Frequenzen dargestellt ist. Teile die mit denen in Fig. 5 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Unterschiede werden im folgenden beschrieben: das Bezugszeichen 310 a bezeichnet eine eine Markierung aufweisende Lichtquelle zur Erzeugung von lichtvariabler Wellenlänge, die so angeordnet ist, daß das Wobbeln der Frequenz durch den Wobbelsignal-Generator 32 a im lokalen Oszillator 30 a gesteuert wird, der einen Wobbler für optische Frequenzen darstellt. Mit HM 2 a wird ein halbdurchlässiger Spiegel bezeichnet, der ein Referenzwellenlängenlicht Rs und ein Licht Rv variabler Wellenlänge der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge miteinander verschmelzen läßt. Die Strahlen des Ausgangslichts des Photo-Verstärkers 2 a und das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM 2 a werden in dem halbdurchlässigen Spiegel HM 1 a verbunden und dann auf den optischen Interferenz-Detektor 4 a einfallen gelassen. In die Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung 7 a werden dem Wobbeln des Wobbelsignal-Generators 32 a entsprechende Signale als axiale Frequenzsignale eingegeben und gleichzeitig das elektrische Ausgangssignal des Detektors 6 a als Spannungssignal. Dadurch zeigt die Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung 7 a das Spektrum eines Meßlichtstrahls 71 a und eines Referenzlichtstrahls 72 a und gleichzeitig eine Markierung bzw. ein Markierungssignal 73 a, nach dem das von der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a abgegebene elektrische Markierungssignal Em eingegeben wurde.

Fig. 10 gibt ein Blockdiagramm wieder, das im einzelnen die eine Markierung aufweisende Lichtquelle 310 a in der Anordnung gemäß Fig. 9 darstellt. Die Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge umfaßt folgende Elemente: eine Eingangsklemme 11 a, an die ein elektrisches Wobbelsignal Ei zur Steuerung der Wellenlänge angelegt wird; einen abstimmbaren Laser 12 a in den das elektrische Wobbelsignal Ei über die dazwischenliegende Eingangsklemme 11 a eingegeben wird; einen Strahlungsteiler BS 1 a, der das Ausgangslicht des abstimmbaren Lasers 12 a beim Auftreffen auf den Strahlungsteiler in zwei verschiedene Richtungen aufteilt; einen Resonator FP 1 a, der eine Markierungslichtquelle mit einem Fabry-Pèrot-Etalon aufweist, in den das durch den Strahlungsteiler BS 1 a tretende Licht eingegeben wird; ein elektro-optisches Element EO 1 a, welches auf der optischen Achse innerhalb des Resonators FP 1 a angeordnet ist; eine Signalquelle E 1 a, die das elektro-optische Element EO 1 a treibt; ein Lichtempfangselement PD 3 s, auf das das Ausgangslicht des Resonators FP 1 a fällt und das dieses in ein elektrisches Signal umwandelt. Mit 14 a wird eine sehr genaue und stabile Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle bezeichnet, die ein Ausgangslicht mit unveränderlicher Wellenlänge abgibt.

Die Funktion der so aufgebauten eine Markierung aufweisenden Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge wird im folgenden beschrieben. Der abstimmbare Laser 12 a gibt ein Ausgangslicht mit einer Wellenlänge ab, die dem Signal Ei entspricht, welches über die Eingangsklemme 11 a eingegeben wird. Die Strahlen des Ausgangslichts werden teilweise an dem Strahlungsteiler BS 1 a reflektiert und werden so zu dem Ausgangslicht Rv variabler Wellenlänge. Der Rest tritt durch den Strahlungsteiler BS 1 a und wird dann in den Resonator FP 1 a eingegeben. Der Resonator FP 1 a ist in der Lage, ein entsprechendes Resonanzintervall mittels des elektro-optischen Elements EO 1 a zu verändern wobei dies im Lichtpfad geschieht. Auf diese Weise erzeugt ein Ausgangslichtsignal Rm des Resonators FP 1 a einen Spitzenwert bei einem Wellenlängenintervall, das dem Ausgangssignal (der Spannung) der Signalquelle E 1 a entspricht. Das Licht empfangende Element PD 1 a wandelt das Ausgangslicht Rm in elektrische Signale um und gibt das Markierungssignal Em an der Klemme 13 a ab. In Fig. 11 ist eine Spektraltafel dargestellt, die das Markierungssignal Em auf der Basis von Frequenzbereichen zeigt. Die Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14 a gibt das Ausgangslicht Rs ab, dessen unveränderbare Wellenlänge innerhalb der Ausgangsbandbreite der Laserlichtquelle 12 a variabler Wellenlänge liegt.

Die Funktion der optischen Frequenz dieses Ausgangsbeispiels wird im folgenden beispielshaft angegeben: Die Wellenlänge des Referenzwellenlichts Rs ist 780 nm (die Wellenlänge der Laserdiode ist auf die Absorptionslinien von Rb, Rubidium, verriegelt).

Die Wellenlänge des Lichts Rv variabler Wellenlänge beträgt 780 nm ± 50 nm;
Die Wellenlänge von ω i ist 780 nm ± 50 nm.

Bei einem Aufbau gemäß Fig. 9 können, da der Strahl des Referenzlichts und der Strahl des Markierungslichts gemeinsam mit den Meßdaten angezeigt oder aufgezeigt werden, die absoluten Werte der Wellenlänge leicht festgestellt werden, wenn die Anzahl der Intervalle des Markierungslichts ausgehend von der Wellenlänge des Referenzlichts gezählt werden und gleichzeitig eine Zeitinterpolation ausgeführt wird.

Das Frequenzauflösevermögen des optischen Spektralanalysators wird durch die Spektralweise des Ausgangslichts Rv variabler Wellenlänge der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a zur Erzeugung Licht variabler Wellenlänge und durch die Bandbreite des Filters 5 a bestimmt. Da die Breite des Spektrums des Ausgangslichts variabler Wellenlänge von dem abstimmbaren Laser 12 a in der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a abhängt, kann man ein hervorragendes Frequenzauflösevermögen (100 kHz) durch Verwendung einer Laserdiode mit externem Resonator, wie sie unten an Hand der Fig. 19 bis 22 beschrieben wird, erreichen.

Darüber hinaus kann man einen Spektralanalysator für optische Frequenzen mit hoher Genauigkeit (10^-12) und Stabilität (10^-12) bei absoluter Genauigkeit erreichen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 kann das elektro-optische Element EO 1 a entfallen, wenn der Resonanzabstand des Fabry-Pèrot-Etalons FP 1 a frei variiert werden kann.

Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm einer eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a, deren Aufbau gegenüber Fig. 10 verändert ist.

Gleiche Bauteile werden mit gleichem Bezugszeichen bezeichnet, auf ihre Beschreibung wird im folgenden verzichtet. BS 2 a bezeichnet einen Strahlungsteiler, der im Ausgangslichtpfad der Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14 a angeordnet ist und eine Reflexion deren Lichts hervorruft, so daß dieses auf den Strahlungsteiler BS 1 a fällt. Mit LA 1 a wird ein Lock-in-Verstärker bezeichnet, in den das Ausgangssignal des Licht empfangenden Elements PD 1 a eingegeben wird. Mit E 2 a wird eine Vorspannungssignalquelle bezeichnet, deren Ausgangssignal zum Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA 1 a addiert und dann an das elektro-optische Element EA 1 a angelegt wird. Einige Strahlen des Ausgangslichts der Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14 a werden auf dem Strahlungsteiler BS 2 a reflektiert und fallen über den Strahlungsteiler BS 1 a auf den Resonator FP 1 a. Der Resonanzabstand des Resonators FP 1 a wird so gesteuert, daß die Referenzwellenlängenanteile ihr Maximum in einem den Lock-in-Verstärker LA 1 a einschließenden Rückkopplungskreis erreichen, wodurch es möglich ist, das Markierungslicht mit der Referenzwellenlänge übereinstimmen zu lassen.

Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a gemäß Fig. 9. Teile, die mit denen der Vorrichtung gemäß Fig. 10 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Das Bezugszeichen CL 1 a bezeichnet eine Absorptionszelle, die eine Standardsubstanz einschließt und in die das durch den Strahlungsteiler BS 1 a tretende Licht einfallen gelassen wird. Die Absorptionszelle CL 1 a bildet eine Markierungslichtquelle. PD 1 a bezeichnet ein Licht empfangendes Element auf das das Ausgangslicht Rm der Absorptionszelle CL 1 a fällt und das dieses in ein elektrisches Signal umwandelt. Mit CP 1 a wird ein Komparator beschrieben, der mit dem Ausgang des Licht empfangenden Elements PD 1 a verbunden ist. Mit 13 a wird eine Markierungssignal-Klemme bezeichnet, mit der der Ausgang des Komparators CP 1 a verbunden ist. Als Standardsubstanz werden Cs (zwei Absorptionslinien in der Nähe von 852 nm), Rb (vier Absorptionslinien in der Nähe von 780 nm und vier Absorptionslinien in der Nähe 794 nm), NH₃ mit einer Vielzahl von Absorptionslinien und H₂O mit einer Vielzahl von Absorptionslinien verwendet.

Die Funktion der eine Markierungen aufweisenden Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge wird im folgenden beschrieben. Ein Teil der Strahlen des Ausgangslichts des abstimmbaren Lasers 12 a treten durch den Strahlungsteiler BS 1 a und treffen auf die Absorptionszelle CL 1 a. Das einfallende Licht wird bei einer gegebenen Wellenlänge, wie oben erwähnt, mittels der in der Absorptionszelle CL 1 a eingeschlossenen Standardsubstanz einer Absorption unterworfen, wodurch ein Durchgangslicht Rm abgegeben wird, das einen Scheitelwert (die tiefste Stelle) bei der oben genannten Wellenlänge aufweist. Das Licht empfangende Element PD 1 a wandelt das Ausgangslicht Rm in ein elektrisches Signal um, welches in Wellenform angeordnet ist. Dieses Signal wird als Markierungssignal Em an der Klemme 13 a abgegeben. Bei einem solchen Aufbau kann die Wellenlänge mit hoher Genauigkeit gemessen werden, weil ein Quantenstandard-Markierungslicht abgegeben wird.

Fig. 14 gibt ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 der Einrichtung gemäß Fig. 9 wieder. LL 1 a bezeichnet eine Lichtquelle mit aufeinander folgenden Spektren, beispielsweise eine LED oder eine mit Xenon- Lampe oder ähnliches. LS 1 a bezeichnet eine Linse, die die Strahlen des Ausgangslicht der Lichtquelle LL 1 a parallel ausrichtet. Mit FP 2 a wird ein Fabry-Pèrot- Resonator bezeichnet, der aus zwei halbdurchlässigen Spiegeln besteht, und auf dem das Ausgangslicht der Linse LS 1 a fällt.

Die Funktion der Markierungseinrichtung für optische Frequenzen mit diesem Aufbau wird im folgenden an Hand der Diagramme der charakteristischen Kurven in Fig. 15 erläutert. Die Lichtquelle LL 1 a gibt Licht mit einer breiten Spektralbandbreite gemäß Fig. 15 (A) ab. Die Strahlen des von der Lichtquelle LL 1 a abgegebenen Lichts werden mittels der Linse LS 1 a parallel ausgerichtet und treten dann in den Fabry-Pèrot-Resonator FP 2 a ein und treten zwischen den halbdurchlässigen Spiegeln in Resonanz. Die Länge des Resonators, der Abstand zwischen den halbdurchlässigen Spiegeln ist L ₁, die Lichtgeschwindigkeit c und der Brechungsindex n ₁. Die Durchlässigkeit des Fabry-Pèrot-Resonators hat gemäß Fig. 15 (B) scharfe Spitzen in einem Abstand von c/2n ₁ L ₁. Daher wird das Licht, das von dem halbdurchlässigen Spiegel ausgegeben wird durch die Kurve in Fig. 15 (C) charakterisiert.

Es läßt sich also ein optischer Frequenzmarkierer einfachen Aufbaus verwirklichen.

Fig. 16 zeigt ein Blockdiagramm eines fünften Ausführungsbeispiels der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung in Fig. 9, bei dem die Länge des in Fig. 14 dargestellten Resonators variiert wird. Es werden nur solche Einzelheiten erläutert, die sich von der Vorrichtung gemäß Fig. 14 unterscheiden. EO 1 a bezeichnet einen elektro-optischen Kristall, der in den Lichtweg des Fabry-Pèrot-Resonators FP 1 a eingebracht ist. E 1 a bzeichnet eine Steuersignalquelle, die mit einer Elektrode des elektro-optischen Kristalls EO 1 a verbunden ist. Bei einer Anordnung des beschriebenen Aufbaus ändert sich der Brechungsindex des elektro- optischen Kristalls EO 1 a, und dadurch die entsprechende Länge des Resonators, wenn mittels der Steuersignalquelle E 1 a ein elektrisches Feld an den elektro- optischen Kristall gelegt wird. Damit ändert sich auch die Wellenlänge des Ausgangslichts. Es ist also möglich, mit einem einfachen Aufbau einen Referenzmarkierer für optische Frequenzen mit einem veränderbaren Frequenzintervall zu verwirklichen.

Mit allen beschriebenen Ausführungsbeispielen kann ein stabiles Frequenzintervall sichergestellt werden, wenn eine Temperatursteuerung durchgeführt wird, indem der Fabry-Pèrot-Resonator in einen Ofen konstanter Temperatur eingebracht wird. Fig. 17 zeigt ein Blockdiagramm eines sechsten Ausführungsbeispiels der Markierungslichtquelle in der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 des in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiels. LD 1 a bezeichnet einen Halbleiter-Laser, dessen beiden Enden AR-beschichtet, also nichtreflektierend beschichtet sind. Mit LS 2 a und LS 3 a werden Kollimatorlinsen bezeichnet, die die Strahlen des Ausgangslichts des Halbleiter-Lasers LD 1 a parallel ausrichten. Mit HM 3 a und HM 4 a werden halbdurchlässige Spiegel bezeichnet, die einen außerhalb der Linsen LS 2 a, LS 3 a liegenden Resonator bilden. Mit ATa wird ein Dämpfungsglied beschrieben, durch das das Licht von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 4 a abgegeben wird. Die Strahlen des Ausgangslichts, die durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 3 a treten, konvergieren an der Linse LS 4 a und werden dann von einem Photo-Detektor BD 2 a erfaßt, der ein APD (Avalanche-Photo-Diode) aufweist. Das elektrische Ausgangssignal des Photo-Detektors PD 2 a wird mittels eines Verstärkers A 1 a verstärkt; dessen Wellenform wird mit Hilfe eines Spektralanalysators SAa überwacht.

Die Funktion der Vorrichtung in Fig. 17 wird im folgenden beschrieben. Eine Verstärkungskurve der spontan abgegebenen Strahlung des Ausgangslichts des Halbleiter- Lasers LD 1 a ist gestrichelt (a) in Fig. 18 dargestellt. Die Strahlen des von beiden Endflächen des Halbleiter-Lasers LD 1 a abgegebenen Lichts werden von den Linsen LS 2 a, LS 3 a parallel ausgerichtet und treten zwischen den halbdurchlässigen Spiegeln HM 3 a, HM 4 a in Resonanz. Die Länge des Resonators, der Abstand zwischen den halbdurchlässigen Spiegeln HM 3 a, HM 4 a sei L ₂, die Lichtgeschwindigkeit c und der Brechungsindex n ₂. Ein freier Spektralbereich des externen Resonators wird durch c/2n ₂ L ₂ bestimmt, und Q steigt jeweils mit c/2n ₂ L ₂ gemäß der gestrichelten Linie (b) in Fig. 18. Das von dem Dämpfungsglied ATa abgegebene Markierungsausgangslicht ist durch Mehrfachoszillation gekennzeichnet, wie dies mit der durchgezogenen Linie (c) in Fig. 18 dargestellt ist. Das Wellenlängenintervall λ x des Markierungsausgangslichts kann durch einen elektrischen Spektralanalysator SAa als Frequenzintervall γ x abgelesen werden. Wenn die Resonatorlänge L ₂ verändert wird, ist es möglich das Wellenlängenintervall λ x des Markierungsausgangslichts zu ändern. Beispielsweise wird bei einer Länge von L ₂ = 10 mm das Frequenzintervall γ x durch folgende Gleichung gegeben: γ x = c/2L ₂ = 15 GHz. Wenn die Umstände es verlangen, kann der externe Resonator in einen Ofen konstanter Temperatur eingebracht werden und damit ein stabiles Frequenzintervall erreicht werden.

Fig. 19 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines abstimmbaren Lasers 12 a in der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a gemäß Fig. 10, bei dem ein wellenlängenselektives Element in den Resonator eingebracht ist. In der Figur ist ein Halbleiter-Laser mit dem Bezugszeichen LD 2 a bezeichnet. 121 a, 122 a bezeichnen mit einer nichtreflektierenden Schicht beschichtete Elemente an beiden Enden des Halbleiter- Lasers LD 2 a; mit LS 5 a wird eine Linse bezeichnet, die die aus dem nichtreflektierenden beschichteten Element 121 a austretenden Lichtstrahlen parallel ausrichtet; HM 5 a bezeichnet einen halbdurchlässigen Spiegel, an dem das aus der Linse LS 5 a tretende Licht reflektiert wird, und der das Resonanzlicht nach außen abgibt; LS 6 a bezeichnet eine Linse, die aus aus dem nichtreflektierend beschichteten Element 122 a austretende Licht parallel ausrichtet; UM 1 a bezeichnet einen ersten akusto-optischen Modulator, auf den das durch die Linse LS 6 a tretende Licht fällt; UM 2 a bezeichnet einen zweiten akusto-optischen Modulator auf den das von dem ersten akusto-optischen Modulator UM 1 a tretende Licht fällt; M 1 a bezeichnet einen Spiegel, der das aus dem zweiten akusto-optischen Modulator UM 2 a tretende Licht reflektiert, und DR 1 a bezeichnet einen Oszillator, zur Anregung der akusto-optischen Modulatoren UM 1 a und UM 2 a mit einer Frequenz F. Die Lichtstrahlen, die aus dem nichtreflektierend beschichteten Element 121 a des Halbleiter-Lasers LD 2 a treten, werden in der Linse LS 5 a parallel ausgerichtet und dann von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 5 a reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen verlaufen auf dem Lichtpfad zurück und treffen wieder auf den Halbleiter-Laser LD 2 a. Die eine Frequenz von fo ₁ aufweisenden Lichtstrahlen, die aus dem nichtreflektierend beschichteten Element 122 a treten, werden in der Linse LS 6 a parallel ausgerichtet und werden dann auf den ersten akusto-optischen Modulator UM 1 a fallen gelassen. Die Wellenlänge von Licht, das mit gegebenen Einfalls- und Ausfallswinkeln gegenüber dem durch die Ultraschallwellen entstehenden Beugungsgitter verlaufen, ändert sich, wenn sich die Wellenlänge der Ultraschallwellen ändert. Bei der Beugung wird das einfallende Licht einer auf den Ultraschallwellen beruhenden Doppler-Verschiebung ausgesetzt und die Frequenz von +1-dimensionalem Beugungslicht, bei dem eine Richtung der Ultraschallwellen mit der Beugungsrichtung übereinstimmt, wird zu fo ₁ + F. Das aus dem akusto-optischen Modulator UM 1 a austretende Licht wird in dem akusto-optischen Modulator UM 2 a nochmal gebeugt. In dem akusto-optischen Modulator UM 2 a ist die Beziehung zu dem Beugungslicht und eine Richtung, in der sich die Ultraschallwellen fortbewegen, entgegengesetzt zum akusto-optischen Modulator UM 1 a; daher gibt es hier -1-dimensionales Beugungslicht. Daher nimmt die Doppler-Verschiebung den Wert -F an, und für die Frequenz des Ausgangslichts des akusto- optischen Modulators UM 2 a gilt folgende Gleichung: fo ₁ + F - F = fo ₁. Das Ausgangslicht des akusto-optischen Modulators wird in dem akusto-optischen Modulator UM 2 a nach einer Reflexion auf den Spiegel M 1 a einer Doppler-Verschiebung unterworfen. Es hat eine Frequenz von fo ₁ - F, die in dem akusto-optischen Modulator UM 1 a zu fo ₁ - F + F = fo ₁ wird. Die Frequenz nimmt also den ursprünglichen Wert fo ₁ an und kehrt zu den Halbleiter-Laser LD 2 a zurück. Dadurch wird der Resonanzzustand aufrechterhalten. Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, die Wellenlänge des Resonanzlichtes zu wobbeln, wenn die Wellenlänge (Frequenz F) der Ultraschallwelle variiert wird. Das in Resonanz getretene Licht tritt über den halbdurchlässigen Spiegel HM 5 a nach außen.

Wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des abstimmbaren Lasers 12 a, das in Fig. 10 gezeigt wird, kann gemäß Fig. 20 ein Element in dem Resonator eingebracht werden, das den Brechungsindex des Lichtes steuern kann. Teile, die mit denen in Fig. 19 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Mit EO 1 a wird ein elektro- optisches Element bezeichnet, dessen beide Oberflächen nicht reflektierend beschichtet sind und das aus LiNbO₃ (niob-saures Lithium) oder ähnlichem besteht und auf welches das Ausgangslicht der Linse LS 6 a fällt. E 2 a bezeichnet eine Signalquelle zur Steuerung des elektro- optischen Elements EO 1 a. Die Strahlen des aus dem Halbleiter- Laser LD 2 a tretenden Lichts werden in der Linse LS 6 a parallel ausgerichtet und treten durch das elektro- optische Element EO 1 a. Die so abgegebenen Lichtstrahlen bewegen sich nach der Reflexion an dem Spiegel M 1 a auf demselben Lichtpfad zurück und treffen wieder auf den Halbleiter-Laser LD 2 a. Es kann also ein Resonator zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel HM 5 a und dem Spiegel M 1 a aufgebaut werden. Der Abstand zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel HM 5 a und dem Spiegel M 1 a sei L ₃, wobei die entlang dem Lichtpfad im elektro- optischen Element EO 1 a gemessene Länge l ausgenommen ist. Der Brechungsindex des elektro-optischen Elements EO 1 a sei n ₃, die Lichtgeschwindigkeit c, und p eine ganze Zahl. Dann gilt für eine Oszillationsfrequenz fo ₂ folgende Gleichung:

fo ₂ = p · c/2 (L ₃ + n ₃ (V) l) (1).

Der Brechungsindex n ₃ kann durch Änderung der Intensität eines elektrischen Felds des elektro-optischen Elements EO 1 a mit Hilfe der Signalquelle E 2 a verändert werden, wodurch die Oszillationsfrequenz fo ₂ gewobbelt werden kann.

Fig. 21 zeigt ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des abstimmbaren Lasers, wobei der in Fig. 20 dargestellte abstimmbare Laser als Doppelresonator angeordnet ist. Mit in Fig. 20 übereinstimmende Teile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Mit BS 3 a wird ein Strahlungsteiler bezeichnet, der das aus der Linse LS 6 a tretende Licht in zwei Richtungen aufspaltet. EO 2 a bezeichnet ein elektro-optisches Element, auf welches das durch den Strahlungsteiler BS 3 a tretende Licht fällt. M 1 a bezeichnet einen Spiegel, an dem das aus dem elektro-optischen Element EO 2 a tretende Licht reflektiert wird. EO 3 a bezeichnet ein elektro-optisches Element, auf das das an dem Strahlungsteiler BS 3 a reflektierte Licht einfallen gelassen wird. Die entlang dem Lichtpfad der elektro-optischen Elemente EO 2 a, EO 3 a gemessene Länge sei l ₄, l ₅, die Brechungsindizes seien n ₄, n ₅, der Abstand zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel HM 5 a und dem Spiegel M 1 a sei L ₄ ohne Berücksichtigung der Länge l ₄. Der Abstand zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel HM 5 a und dem Spiegel M 2 a sei L ₅ ohne Berücksichtigung der entlang des Lichtpfads gemessenen Länge l ₅. q sei eine ganze Zahl. In diesem Fall wird die Oszialltionsfrequenz fo ₃ durch folgende Gleichung ausgedrückt:

fo ₃ = q · c/2|(L ₄ + n ₄ (V ₁) l ₄) - L ₅ + n ₅ (V ₂) l ₅)| (2).

Dadurch, daß der Nenner der Gleichung (2) kleiner gemacht werden kann als der in der Gleichung (1), ist es möglich, den Änderungsbereich der Oszillationsfrequenz größer als bei der Vorrichtung gemäß Fig. 20 zu machen.

Fig. 22 zeigt ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des abstimmbaren Lasers 12 a, wobei die abstimmbare LaserDiode gemäß Fig. 20 in integrierter Form auf einem Chip angeordnet ist. 123 a bezeichnet eine Laser-Diode aus AlGaAs, InGaAsP; 124 a bezeichnet einen Photo-Verstärker, der bei dem verbundenen Bereich der Laser-Diode 123 a vorgesehen ist. 125 a bezeichnet einen externen Wellenleitungspfad-Resonator. Mit 126 a, 127 a werden an beiden Enden der Laser-Diode 123 a angeordnete Spiegel bezeichnet. Mit 128 a wird eine auf der Oberfläche der LaserDiode 123 a angeordnete Elektrode bezeichnet, die dem Photo-Verstärker 124 a zugeordnet ist. 129 a bezeichnet eine Elektrode auf der Oberfläche, die dem externen Wellenleitungspfad-Resonator 125 a zugeordnet ist. Ein elektrischer Strom I _LD wird über die Elektrode 128 a dem verbundenen Bereich zugeführt, und Laserstrahlen werden an den Photo-Verstärker 124 a abgegeben. Über die Elektrode 129 a wird ein elektrischer Strom I _F an dem externen Wellenleitungspfad-Resonator 125 a abgegeben, wodurch der Brechungsindex des externen WellenleitungspfadResonators geändert und ie Osziallationsfrequenz gewobbelt wird. Die Länge entlang des verbundenen Bereichs des externen Wellenleitungspfad- Resonators 125 a und des Photo-Verstärkers 124 a sei l ₆ bzw. l ₇. Die Brechungsindizes seien n ₆ bzw. n ₇ und r eine ganze Zahl. Die Osziallationsfrequenz fo ₄ wird dann durch folgende Gleichung gegeben:

fo ₄ = r · c/s (n ₆ l ₆ + n ₇(I _F) l ₇) (3).

Fig. 23 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14 a, in der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 a zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge gemäß Fig. 10. Ind er Figur wird mit LD 3 a ein Halbleiter-Laser bezeichnet, mit BS 4 s ein Strahlungsteiler, auf dem das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 3 a fällt; mit CL 2 a eine Absorptionszelle, die eine Standardsubstanz aufweist, auf die das von dem Strahlungsteiler BS 4 a reflektierte Licht fällt. Mit PD 3 a wird ein Licht empfangendes Element bezeichnet, auf das das durch die Absorptionszelle CL 2 a tretende Licht fällt. LA 1 a bezeichnet einen Lock-in-Verstärker, in dem das elektrische Ausgangssignal des Licht empfangenden Elements PD 3 a eingegeben wird, und welches dem elektrischen Strom des Halbleiter-Lasers LD 3 a mittels des dem elektrischen Ausgangssignal entsprechenden Ausgangssignals steuert. DR 2 a bezeichnet einen Oszillator zur Frequenzmodulation des elektrischen Stroms des Halbleiter Lasers LD 3 a, der die Phasenerfassungs-Frequenz des Lock-in-Verstärkers LA 1 a liefert. Das durch den Strahlungsteiler BS 4 a tretende Licht wird das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle. Die Standardsubstanz schließt Cs, Rb, NH₃ und H₂O, die frei gewählt werden können. Das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 3 a wird von dem Strahlungsteiler BS 4 a reflektiert, fällt auf die Absorptionszelle CL 2 a und wird einer auf der in der Absorptionszelle CL 2 a eingeschlossenen Standardsubstanz beruhenden Absorption unterworfen. Die Menge der Absorption wird von dem Licht empfangenden Element PD 3 a erfaßt und über den Lock-in-Verstärker LA 1 a an den elektrischen Strom des Halbleiter-Lasers LD 3 a zurückgeführt. Die Ausgangswellenlänge des Halbleiter- Lasers LD 3 a wird auf Absorptionsspektrallinien der Standardsubstanz verriegelt bzw. eingesteuert, so daß eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle mit hoher Genauigkeit und hoher Stabilität verwirklicht werden kann.

Das anhand des Ausführungsbeispiels einer Referenzwellenlängen- Laserlichtquelle 14 a gemäß Fig. 23 erläuterte Verfahren wird als lineare Absorption bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird das Absorptionsspektrum auf Grund der Doppler-Verschiebung relativ breit. Absorptionslinien mit hyperfeiner Struktur, die auf Grund der Doppler-Verschiebung verborgen sind, werden mit Hilfe der auf gesättigter Absorption beruhenden Spektroskopie erfaßt (vgl.: T. Yabuzaki, A. Hori, M. Kitano und T. Ogawa: Frequency Stabilization of Diode Lasers Using Doppler-Free Atomic Spectra, Proc. Inc. Conf. Laser′s 83). Die Oszillationswellenlänge des Halbleiter- Lasers LD 3 a wird auf die so erfaßten Absorptionslinien verriegelt, sodaß sich eine sehr viel höhere Stabilität erreichen läßt.

Ein Generator/Wobbler für optische Frequenzen kann, wie unten beschrieben, als abstimmbarer Laser 12 a in den Anordnungen gemäß Fig. 10 bis 13 verwendet werden

Fig. 24 zeigt ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, wobei ein Netzwerkanalysator für optische Frequenzen verwirklicht wird. 31 a bezeichnet einen Generator/ Wobbler für optische Frequenzen, der ein frequenzgewobbeltes Lichtausgangssignal abgibt und einen Wobbler für optische Frequenzen darstellt (in der Figur wurde der Wobbelsignal-Generator weggelassen). Der Generator/ Wobbler für optische Frequenzen wird unten beschrieben. 223 a bezeichnet einen optischen Interferenz-Detektor, in den erste und zweite Strahlen des Ausgangslichts des Generators/Wobblers für optische Frequenzen 31 a eingegeben werden. 224 a bezeichnet einen einen Bandpassfilter aufweisenden Filter, in den die elektrischen Ausgangssignale des optischen Interferenz-Detektors 223 a eingegeben werden. 220 a bezeichnet ein Richtkopplungselement, in welches ein erster Lichtstrahl des Ausgangslichts des Generators/Wobblers für optische Frequenzen 31 a eingegeben wird. 230 a bezeichnet einen Ausgang, an dem das von dem Richtkopplungselement 220 a abgegebene Licht austritt. 210 a bezeichnet ein Messobjekt, auf welches das von dem Ausgang 230 a ausgehende Licht einfällt. 240 a bezeichnet einen Eingang, auf den das Licht aus dem Messobjekt 210 a fällt. 241 a bezeichnet eine Polarisations-Steuereinheit, welche einen Kristall mit magneto-optischer Wirkung (YIG, Bleiglas oder ähnliches) verwendet, und auf die das in den Eingang 240 a eintretende Licht einfällt. 242 a bezeichnet einen PhotoVerstärker, in den das Ausgangslicht der PolarisationsSteuereinheit 241 a eingegeben wird. 243 a bezeichnet einen optischen Interferenz-Detektor, der eine pin-Photo-Diode oder eine Lawinen-Photo-Diode aufweist, und in den der zweite Strahl des Ausgangslichts des Photo-Verstärkers 242 a und des Generators/Wobblers für optische Frequenzen 31 a einfallen. 244 a bezeichnet einen einen Bandpassfilter aufweisenden Filter, in den das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz- Detektors 243 a zur Verstärkung eingegeben wird. 245 a bezeichnet einen Amplitudenkomparator, in den die elektrischen Ausgangssignale der Filter 244 a, 224 a eingegeben werden. 246 a bezeichnet einen Phasenkomparator, in den die elektrischen Ausgangssignale der Filter 244 a, 224 a eingegeben werden. 231 a bezeichnet eine Polarisations-Steuereinheit ähnlich der Polarisations- Steuereinheit 241 a, in die das von dem Messobjekt 210 a reflektierte Licht über das Richtkopplungselement 220 a eingegeben wird. 232 a bezeichnet einen Photo-Verstärker ähnlich dem Photo-Verstärker 242 a, in den das Ausgangslicht der PolarisationsSteuereinheit 231 a eingegeben wird. 233 a bezeichnet einen optischen Interferenz-Detektor ähnlich dem optischen Interferenz-Detektor 243 a, in den der zweite Strahl des Ausgangslichts des Photo- Verstärkers 232 a und des Generators/Wobblers für optische Frequenzen 31 a eingegeben werden. 234 a bezeichnet einen Filter ähnlich dem Filter 244 a, in den die elektrischen Ausgangssignale des optischen Interferenz-Detektors 232 a eingegeben werden, und der einen Bandpassfilter aufweist. 235 a bezeichnet einen Amplitudenkomparator ähnlich dem Amplitudenkomparator 245 a, in den die elektrischen Ausgangssignale der Filter 234 a, 242 a eingegeben werden. 236 a bezeichnet einen Phasenkomparator ähnlich dem Phasenkomparator 246 a, in den die elektrischen Ausgangssignale der Filter 234 a, 242 a eingegeben werden. 250 a bezeichnet eine Signal-Verarbeitungs/ Anzeige-Einrichtung, in die die elektrischen Ausgangssignale der Phasenkomparatoren 236 a, 246 a eingegeben werden. Ein erster optischer InterferenzDetektor besteht aus den optischen Interferenz-Detektoren 233, 234 a. Eine erste Filtereinrichtung besteht aus den Filtern 234 a, 244 a. Ein zweiter optischer Interferenz- Detektor besteht aus dem optischen Interferenz-Detektor 223 a.

Eine zweite Filteranordnung besteht aus dem Filter 224 a. Eine Vergleichseinrichtung besteht aus den Phasenkomparatoren 236 a, 246 a und den Amplitudenkomparatoren 235 a, 245 a. Eine Signalverarbeitungseinheit besteht aus der Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung. Als Photo-Verstärker 232 a, 242 a sind Photo-Verstärker 2 a der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung geeignet. Als optische Interferenz-Detektoren 223 a, 233 a, 243 a können optische Interferenz-Detektoren verwendet werden, die dem optischen Interferenz-Detektor 4 a der Vorrichtung gemäß Fig. 5 sehr ähnlich sind.

Die Funktionen des so aufgebauten Netzwerkanalysators für optische Frequenzen werden im folgenden beschrieben:

Der Generator/Wobbler 31 a für optische Frequenzen wobbelt die Frequenz des Lichtausgangssignals und gibt es mit hoher Genauigkeit, Stabilität und Spektralreinheit, wie unten beschrieben, weiter. Das erste abgegebene Lichtausgangssignal des Generators/Wobblers 31 a für optische Frequenzen ist mittels einer, in der Figur nicht dargestellten Frequenzverschiebungseinheit für optische Frequenzen um Δ ω verschoben. Das erste Lichtausgangssignal mit einer Frequenz ω o des Generators/ Wobblers 31 a fällt über das Richtkopplungselement 220 a und den Ausgang 230 a auch das Meßobjekt 210 a. Das aus dem Meßobjekt 210 a tretende Licht wird über den Eingang 240 a in die Polarisations-Steuereinheit 241 a eingegeben. Die Polarisations-Steuereinheit 241 a steuert durch optimale Ausnützung der Rotationspolarisation des Kristalls mit magneto-optischer Wirkung ein eingeprägtes Magnetfeld, wodurch eine Polarisationsebene des eingegebenen Lichts so ausgerichtet wird, daß sie mit dem örtlichen Oszillationslicht, dem zweiten Lichtausgangssignal, übereinstimmt. Das Lichtausgangssignal der Polarisations-Steuereinheit 241 a wird mit dem örtlichen Oszillationslicht des Generators/Wobblers 31 a für optische Frequenzen mittels eines nicht dargestellten halbdurchlässigen Spiegels verschmolzen, nachdem es in dem Photo-Verstärker 242 a verstärkt wurde. Das verschmolzene Lichtausgangssignal wird mittels des optischen Interferenz-Detektors 243 a in eine elektrisches Signal umgewandelt, dessen Frequenz einer Differenz entspricht, die durch folgende Gleichung ausgedrückt wird: (ω o + Δ l) - ω o = Δ ω. Das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 243 a tritt auf Grund der Bandpaßeigenschaften zum Teil durch den Filter 244 a. Das erste Ausgangslichtsignal mit der Frequenz ω o des Generators/Wobblers 31 a wird mittels eines halbdurchlässigen Spiegels o. ä. unmittelbar mit dem örtlichen Oszillationslicht der Frequenz ω o + Δ ω verschmolzen und wird mittels des optischen Interferenz-Detektors 223 a in ein elektrisches Signal mit einer einer Differenz Δ ω entsprechenden Frequenz umgewandelt. Das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 243 a tritt auf Grund der Bandpaßeigenschaften teilweise durch das Filter 224 a und wird ein Bezugssignal. Mittels des Amplitudenkomparators 245 a und des Phasenkomparators 246 a werden die Amplitude bzw. die Phase des elektrischen Ausgangssignals des Filters 244 a, welches durch die Eigenschaften des Meßobjekts beeinflußt wird, und des Bezugssignals des Filters 224 a, auf das die Eigenschaften des Meßobjekts keinen Einfluß haben, verglichen. Die elektrischen Ausgangssignale des Amplitudenkomparators 245 a und die des Phasenkomparators 246 a werden durch die Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung 250 a verarbeitet, wodurch die Ausbreitungseigenschaften des Meßobjekts angezeigt werden. Das über den Ausgang 230 a und das Richtkopplungselement 220 a abgegebene reflektierte Licht des Meßobjekts 210 a wird auf ähnliche Weise in der Polarisations-Steuereinheit 231 a, dem Photo-Verstärker 232 a, dem optischen Interferenz- Detektor 233 a, dem Filter 234 a, dem Amplitudenkomparator 235 a, dem Phasenkomparator 236 a und der Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einheit 250 a verarbeitet, wodurch die Reflexionseigenschaften des Meßobjekts angezeigt werden.

Wenn das Meßobjekt der o. g. Anordnung ein Lichtleitungspfad ist, ist es möglich die Wellenlängencharakteristika der Phasenunterschiede oder Ausbreitungsverluste des Lichtleitungspfades zu messen. Wenn das Meßobjekt eine optische Faser ist, kann das Meßverfahren bei kurzen Fasern zur Messung der Wellenlängencharakteristika der Verzögerungen und der Ausbreitungsverluste eingesetzt werden. Ist ein Laserdioden-Photo-Verstärker Meßobjekt, können Wellenlängencharakteristika des Verstärkungsfaktors, der Phasenverzögerung und ähnlichem gemessen werden. Darüber hinaus kann der Reflexionsverlust an einer optischen Kontaktstelle an Hand der Charakteristika des reflektierten Lichts festgestellt werden.

Mit einem Netzwerkanalysator für optische Frequenzen des oben beschriebenen Aufbaus können Amplitude, Phase, Wellenlängeneigenschaften und ähnliches sehr genau gemessen werden.

Darüber hinaus können einfach und gleichzeitig Ausbreitungseigenschaften (Verluste, Phase, Verzögerung, Verstärkungsfaktor und ähnliches) sowie Reflexionseigenschaften eines Meßobjekts festgestellt werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen werden Bandpaßfilter als Filter 224 a, 234 a und 244 a verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Filter dieser Art beschränkt, es können auch Tiefpaßfilter verwendet werden. In diesem Fall gilt die Gleichung Δ ω = 0.

Funktionsbeispiele der optischen Frequenz des Netzwerkanalysators für optische Frequenzen, der an Hand von Fig. 24 beschrieben wurde, werden im folgenden genannt:
Wellenlänge von ω s: 780 nm (eine Wellenlänge der Laser- Diode ist auf Absorptionslinien von Rb verriegelt);
Wellenlänge von ω o: 1560 nm + 50 nm;
Frequenz von Δ ω: 100 MHz.
Diese Beispielswerte ergeben sich, wenn das Meßlicht die für optische Faserkommunikation geeignetste Wellenlänge aufweist und wenn Lichtkommunikationseinrichtungen gemessen werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Referenzsignal der Vergleichseinrichtung erhalten, indem ein zweiter optischer Interferenz-Detektor 223 a und ein zweites Filter 224 a verwendet werden. Die Anmeldung ist jedoch nicht auf dieses Signal beschränkt. Es kann auch ein der Verschiebungsfrequenz Δ ω entsprechendes elektrisches Modulationssignal des Generators/- Wobblers 31 a für optische Frequenzen verwendet werden, das an die optische Frequenzverschiebungseinrichtung angelegt wird. In diesem Fall kann der Aufbau vereinfacht werden, indem der zweite optische Interferenz-Detektor sowie der zweite Filter weggelassen werden.

Das Licht, welches aus dem Netzwerkanalysator für optische Frequenzen austritt und zu dem Meßobjekt gelangt braucht kein aufeinanderfolgendes oder Dauerlicht zu sein, es kann auch Impulslicht verwendet werden. Es ist auch möglich die Wellenlängeneigenschaften bei Impulslicht zu messen, indem die optische Frequenz gewobbelt wird, während eine Synchronisation mit dem Impulslicht stattfindet.

Fig. 25 zeigt ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, wobei ein anderer Aufbau des Netzwerkanalysators für optische Frequenzen dargestellt ist. Ein Unterschied gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 24 besteht darin, daß die optische Frequenzverschiebungseinrichtung an Stelle des Generators/Wobblers 31 a für optische Frequenzen (wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 24, wobei in dieser Figur der Wobbelsignal-Generator weggelassen wurde) eine eine Markierung aufweisende Lichtquelle 310 a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge aufweist, die identisch ist mit der, die für den Spektralanalysator für optische Frequenzen gemäß Fig. 9 verwendet wird. Wie bei der Anordnung gemäß Fig. 24 wird ein erstes Ausgangslichtsignal variabler Wellenlänge, welches von der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 abgegeben wird, mittels einer optischen Frequenzverschiebeeinrichtung, die in der Figur nicht dargestellt ist, um Δ ω verschoben, und damit zum zweiten Ausgangslichtsignal. Das Markierungssignal- Ausgangssignal Em der eine Markierung aufweisende Lichtquelle 310 wird in die Signal-Verarbeitungs/Anzeige- Einrichtung eingegeben, wodurch zusammen mit den entsprechenden Eigenschaften eine Markierung bzw. ein Markierungssignal angezeigt wird.

Funktionsbeispiele eines Netzwerkanalysators für optische Frequenzen diesen Aufbaus sind folgende:
Wellenlänge von ω o: 1560 nm + 50 nm
Frequenz von Δ ω: 100 MHz.

Diese Funktionsbeispiele werden in dem Fall erreicht, in dem das Meßlicht die für optische Faserkommunikation geeignetste Wellenlänge aufweist und in dem Lichtkommunikationsvorrichtungen gemessen werden.

Mit einem Netzwerkanalysator für optische Frequenzen, bei dem eine einfach aufgebaute Lichtquelle zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge verwendet wird, können die Frequenzeigenschaften, beispielsweise Amplitude, Phase oder ähnliches, eines Meßobjekts sehr genau gemessen werden, in dem die Wellenlänge mit Hilfe der Frequenzmarkierung korrigiert werden.

Es ist festzuhalten, daß das zweite Lichtausgangssignal der Lichtquelle variabler Frequenz als Eingangssignal der optischen Frequenzmarkierungseinrichtung verwendet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel des Generators/Wobblers für optische Frequenzen, wie er bei einer Vorrichtung gemäß den Fig. 5 und 24 verwendet wird, wird im folgenden beschrieben. Fig. 26 ist ein Blockdiagramm eines Grundaufbaus des Generators/Wobblers für optische Frequenzen. Mit dem Bezugszeichen 1 s wird eine Referenzwellenlängen- Lichtquelle mit stabilisierter Wellenlänge bezeichnet, mit 2 s ein optischer phasenverriegelter Regelkreis, ein optischer PLL, in den das Ausgangslicht der Referenzwellen- Lichtquelle 1 s eingegeben wird, mit 3 s ein Photo-Modulator, der das Ausgangslicht des optischen PLL 2 s moduliert, und mit 4 s ein Photo-Verstärker zur Verstärkung des Ausgangslichts des Photo-Modulators 3 s. Der optische PLL 2 s umfaßt folgende Elemente: einen optischen Interferenz-Detektor 21 s, der das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s als Eingangssignal an einer Seite empfängt, eine Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht variabler We 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002003643569 00004 99880llenlänge, in der die Oszillationswellenlänge des Lichtausgangssignals mittels des Ausgangssignals des Interferenz-Detektors 21 s gesteuert wird, eine optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s zur Verschiebung der Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge und schließlich eine optische Frequenz-Multiplikationseinrichtung, einen Frequenz-Multiplier 24 s zur Vervielfachung der Frequenz des Ausgangslichts der optischen Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s und zur Weiterleitung des Ausgangslichts als Eingangssignal der anderen Seite für den Interferenz-Detektor 21 s.

Die Funktion der Vorrichtung wird im folgenden beschrieben. Wenn das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s in den optischen PLL 2 s eingegeben wird, so verriegelt dieser eine Wellenlänge des optischen Ausgangssignals mit einer der Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s entsprechenden Wellenlänge. Genauer gesagt vergleicht der Interferenz- Detektor 21 s das von der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s abgestrahlte Licht und das Licht von dem Frequenz- Multiplier 24 s und steuert die Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge so, daß die anhand des Vergleichs festgestellte Differenz vermindert wird. Die optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s stellt eine Rückkopplungsschaltung dar, die dem Ausgangslichtsignal der Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge eine verschobene Frequenz hinzuaddiert. Der optische Frequenz-Multiplier 24 s bestimmt das Verhältnis der Frequenz des Ausgangslichts der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s zur Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht verschiedener Wellenlänge. Der Photo- Modulator 3 s moduliert das Ausgangslicht des optischen PLL 2 s. Der Photo-Verstärker 4 s leitet das Ausgangssignal des Generators/Wobblers für optische Frequenzen weiter, indem er das Ausgangslicht des Photo-Modulators 3 s verstärkt.

Fig. 27 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung, bei dem der Aufbau gemäß Fig. 26 näher bestimmt wird. Die Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s weist folgende Elemente auf: eine Laser-Diode LD 1 s, eine Absorptionszelle CL 1 s, das dem Licht ausgesetzt ist, welches von der Laser-Diode LD 1 s abgegeben wird und in der Rb-Gas oder Cs-Gas eingeschlossen ist; einen halbdurchlässigen Spiegel HM 1 s, auf den das von der Absorptionszelle CL 1 s abgegebene Licht fällt, eine Photo-Diode PD 1 s, in die das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 1 s reflektierte Licht eigegeben wird; eine Steuer-Schaltung A 1 s, in die das elektrische Ausgangssignal der Photo-Diode PD 1 s eingegeben wird und die einen elektrischen Strom der Laser-Diode LD 1 s durch ein Ausgangssignal steuert, welches dem elektrischen Ausgangssignal der Diode PD 1 s entspricht; einen Isolator IS 1 s zur Unterbindung von reflektiertem Licht, durch den durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 1 s fallendes Licht hindurchtritt, und ein Photo-Verstärkungselement OA 1 s, in das durch den Isolator IS 1 s tretendes Licht eingegeben wird. Der optische PLL 2 s weist auf: einen halbdurchlässigen Spiegel HM 2 s, auf den das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s fällt; eine Photo-Diode PD 2 s, die den optischen Interferenz-Detektor 21 s darstellt und eine pin-Photo-Diode, eine Lawinen-Photo-Diode o. ä. aufweist, in die das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 2 s durchtretende Licht einfällt; einen Oszillator ECs, der durch Eingabe einer durch einen Kristall erzeugten Referenzfrequenz ein elektrisches Signal mit vorgegebener Frequenz erzeugt, sowie eine Mischstufe MX 1 s, die mit dem elektrischen Ausgang sowie des Oszillators ECs als auch des optischen Interferenz- Detektors PD 2 s verbunden ist. In der Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht verschiedener Wellenlänge, die mit dem Ausgang der Mischstufe MX 1 s verbunden ist, finden sich folgende Elemente: Eine optische Frequenz- Modulationsschaltung FCs, in die das Ausgangssignal der Michststufe MX 1 s eingegeben wird; abstimmbare Laser-Dioden VL 1 s bis VL 3 s, in die das Ausgangssignal der optischen Frequenz-Modulationsstufe eingegeben wird; ein Isolator IS 2 s, durch den das Licht der abstimmbaren Laser-Dioden VL 1 s bis VL 3 s tritt und der aus YIG (Yttriumgadolinium-Aluminium-Eisengranat) zusammengesetzt ist, sowie einen optischen Schalter OS 1 s, auf den das durch mehrere (drei in Fig. 27) Isolatoren IS 2 s hindurchgetretene Licht trifft. Mit HM 3 s wird ein halbdurchlässiger Spiegel bezeichnet, auf den das Ausgangslicht des optischen Schalters OS 1 s fällt; mit OA 2 s ein Photo-Verstärkungselement, in welches das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 3 s reflektierte Licht eingegeben wird; mit UM 1 s ein Ultraschall-Modulator, in den das Licht aus dem Photo-Verstärkungselement OA 2 s eingegeben wird, wobei der Ultraschall-Modulator UM 1 s die optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s darstellt; NLs bezeichnet einen Lichtleiter aus nichtlinearem Material, in den das Ausgangslicht der optischen Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s eingegeben wird, und der den optischen Frequenz-Multiplier 24 s darstellt. Schießlich wird ein Photo-Verstärkungselement zur Verstärkung des Ausgangslichts aus dem Lichtleiter NLs mit OA 3 s bezeichnet. In dem Photo-Modulator 3 s, in den das Ausgangslicht des optischen PLL 2 s eingegeben wird, finden sich folgende Elemente: ein AmplitudenModulator AM 1 s sowie ein Phasen-Modulator PM 1 s jeweils mit einem elektro-optischen Kristall beispielsweise LiNbO₃; ein Polarisations-Modulator LM 1 s mit einem magneto-optischen Kristall beispielsweise YIG. Ein Photo-Verstärkungselement OA 4 s bildet den Photo-Verstärker 4 s und verstärkt das Ausgangslichtsignal des PhotoModulators 3 s.

Die Funktion der Vorrichtung wird im folgenden genauer beschrieben:

Die Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s stimmt, wie unten genauer erläutert wird, die Oszillationswellenlänge der Laser-Diode auf die Absorptionslinien von Rb-Atomen (oder Cs-Atomen) ab, wobei eine hohe Genauigkeit und Stabilität, nämlich mehr als 10^-12 bei einer absoluten Wellenlänge erreicht werden. Wenn die Wellenlänge des von der Laser-Diode LD 1 s abgegebenen Lichts beim Durchtreten durch das Absorptionselement CL mit den Absorptionslinien von Rb-Gas (oder Cs-Gas) übereinstimmt, wird das Licht der Laser-Diode LD 1 s absorbiert. Auf diese Weise ergeben sich die Absorptionseigenschaften, die anhand des eine charakteristische Kurve wiedergebenden Diagramms gemäß Fig. 28 (A) gezeigt werden. In Fig. 29 werden die Energieniveaus von Rb-Gas dargestellt. Für die Absorptionslinien von Rb ergibt sich beispielsweise ein D₂-Balken mit 780 nm und ein D₁-Balken mit 795 nm; werden diese multipliziert, ergeben sich Werte von 1560 nm bzw. 1590 nm. Diese Zahlenwerte fallen in den Bereich von 1500 nm, der als optische Faserkommunikationswellenlänge definiert und daher vorteilhaft ist. Dieser Wellenlängenbereich ist für Photo-Messungen verfügbar. Ein Teil des Lichtstroms des Absorptionselements CL 1 s wird von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 1 s reflektiert und dann von einem Photo-Detektor PD 1 s erfaßt. Dann wird die Ausgangswellenlänge der Laser-Diode LD 1 s auf die Mitte der Absorption verriegelt, indem der elektrische Strom der Laser-Diode LD 1 s in der Steuer-Schaltung A 1 s entsprechend dem Ausgangssignal des Photo-Detektors PD 1 s gesteuert wird. Wenn beispielsweise die oben bebeschriebene Ausgangswellenlänge an einer Stelle a _s in Fig. 28 (A) verriegelt werden soll, so wird sie in der Steuer-Schaltung A 1 s mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers an der Stelle b _s in Fig. 28 (B) fixiert, an der die Differenzialkurve den Wert 0 annimmt, wobei in Fig. 28 (B) die Differenzialkurve der in Fig. 28 (A) dargestellten Wellenform ist. Dies wird als lineares Absorptionsverfahren bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird das Absorptionsspektrum wie in dem in Fig. 28 (A) dargestellten Fall breit, jedoch werden Absorptionsbalken bzw. -linien sehr kleiner, hyperfeiner Größe, die aufgrund einer Doppler-Verschiebung verdeckt sind, mit Hilfe der gesättigten Absorptions-Spektroskopie erfaßt. Wenn die Oszillationswellenlänge der Laser-Diode LD 1 s auf die so erfaßten Absorptionslinien verriegelt wird, ist die Stabilität noch höher. Die Laser-Diode LD 1 s ist mit Hilfe eines Konstant-Temperatur- Ofens stabilisiert. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 1 s tretende Licht fällt auf den Isolator IS 1 s. Der Isolator verhindert, daß von außen einfallendes Licht reflektiert wird und Störungen erzeugt. Das Ausgangslicht des Isolators IS 1 s wird mit Hilfe des Photo-Verstärkungselements UA 1 s verstärkt.

Der optische PLL 2 s kann, wie unten erläutert, eine Oszillationswellenlänge der Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge mit einer bestimmten Verschiebung und einem bestimmten Verhältnis zur Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s verriegeln. Das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s durchdringt den halbdurchlässigen Spiegel HM 2 s und fällt auf die Photo-Diode PD 2 s des optischen Interferenz-Detektors 21 s. Das von dem Frequenz-Multiplier 24 s zurückgeführte Licht wird an dem halbdurchlässigen Spiegel HM 2 s reflektiert, nachdem es durch das dazwischengeschaltete Photo-Verstärkungselement OA 3 s getreten ist, und fällt dann auf die Photo-Diode PD 2 s. Unter Annahme, daß die optische Frequenz des Ausgangssignals der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s und die des rückgeführten Lichts l s bzw. ω ₁ ist, wird die Frequenz ω ₂ des Ausgangssignals des Interferenz-Detektors 21 s durch folgende Gleichung gegeben: ω ₂ = |ω s - ω ₁|. Unter der Annahme, daß die Ausgangsfrequenz des Oszillators ECs ω ₃ ist, so wird die Ausgangsfrequenz ω ₄ der Mischstufe MX 1 s (Phasendetektorschaltung) durch die Gleichung ω ₄ = l ₂ - ω ₃ ausgedrückt, wenn die verschobene Frequenz zur Ausgangsfrequenz ω ₂ des optischen Interferenz-Detektors 21 s addiert wird. Das elektrische Ausgangssignal ω ₄ der Mischstufe MX 1 s wird einer optischen Frequenz-Modulationsschaltung FCs der Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge eingegeben. Die optische Frequenz-Modulationsschaltung FCs steuert die optischen Frequenzen der abstimmbaren Laserdioden VL 1 s bis VL 3 s, so daß sich die Gleichung ω ₄ = 0 ergibt. Da der Resonator so aufgebaut ist, daß die maximale Reflexion an einem in ein Laserdioden- Chip eingebrachtes Beugungsgitter erfolgt, und die Oszillationsfrequenz durch den Gitterabstand des Beugungsgitters bestimmt wird, kann im Zusammenhang mit den abstimmbaren Laserdioden VL 1 s bis VL 3 s ein DSB (Distributed Feedback) -Laser und ein ADFB (Acoustic DFB) -Laser verwendet werden, der als eine Art von DBR (Distributed Bragg Reflector) bezeichnet wird. (Yamanishi M, et al.: GaAs Acoustic Distributed Feedback Lasers, Jpn. J. Appl. Phys., Suppl. 18-1, P. 335, 1979). Diese Laser haben eine vergleichsweise stabile Wellenlänge. Der ADFB-Laser erzeugt eine akustische Oberflächenwelle (im folgenden SAW), die senkrecht auf dem innerhalb des DBR-Lasers vorgesehenen Beugungsgitter steht und bildet einen optischen Ringresonator, der auf Bragg-Beugung beruht; dazu sind das in das Chip integrierte Beugungsgitter und die akustische Oberflächenwelle (SAW) notwendig. Wenn die Wellenlänge der SAW verändert bzw. gewobbelt wird, ändert sich die Resonanzwellenlänge des Ringresonators; dadurch ist es möglich, die Oszillationswellenlänge zu wobbeln. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Oszillationswellenlänge im Bereich von 1560 nm. Der DFB-Laser und der DBR-Laser sowie der ADFB-Laser, jeweils einen länglichen Resonator umfassend, haben den Vorteil, daß das Oszillationsspektrum schmal und sehr rein ist. Wenn der Bereich variabler Wellenlänge eines einzigen ADFB-Lasers nicht ausreicht, können gemäß Fig. 27 mehrere ADFB-Laser (VL 1 s bis VL 3 s) verwendet werden, wobei eine Umschaltfunktion mit Hilfe eines optischen Schalters oder eines Lichtwellen-Synthesizers möglich ist. Die Ausgangslichtströme der abstimmbaren Laserdioden VL 1 s bis VL 3 s werden über den reflektiertes Licht verhindernden Isolator IS 2 s in den optischen Schalter OS 1 s geleitet, wobei Licht mit einem gewünschten variablen Wellenlängenbereich ausgewählt wird. Der Ausgangslichtstrom des optischen Schalters OS 1 s wird zum Teil an dem halbdurchlässigen Spiegel HM 3 s reflektiert und dann dem Photo-Verstärkungselement OA 2 s eingegeben.

Das aus dem Photo-Verstärkungselement OA 2 s austretende Licht wird der optischen Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s eingegeben und fällt auf den Ultraschall-Modulator UM 1 s, wodurch Bragg′sches s-dimensional gebeugtes Licht abgegeben wird. Wenn die Frequenz des Ultraschalls, der von einer Referenzfrequenzquelle, beispielsweise einem Kristalloszillator, abgegeben wird, ω ₅ ist, verschiebt sich die optische Frequenz des gebeugten Lichts um s ω ₅.

Das Ausgangssignal der optischen Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s fällt auf den optischen Frequenz-Multiplier 24 s und eine sekundäre Oberwelle höheren Grades des einfallenden Lichtes wird an den Lichtleiter NLs abgegeben. D. h. das Ausgangssignal einer abstimmbaren Laserdiode von 1560 nm wird über den dazwischengeschalteten Photo-Verstärker eingegeben und dadurch eine sekundäre Oberwelle höheren Grades mit 780 nm abgegeben. Zur Wellenleitung wird ein Plattenteiler mit 4 Schichten aus Luft, TiO₂, ZnS und Glas verwendet, bei dem ein nichtlinearer dünner Film aus ZnS und ein linearer dünner Film aus TiO₂ verwendet werden, um nichtlineare Effekte mit hoher Wirksamkeit zu erzeugen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die sekundäre harmonische Welle höherer Ordnung verwendet, es können jedoch auch diskrete harmonische Wellen höherer n-ter Dimension verwendet werden.

Das Ausgangslicht des optischen Frequenz-Multipliers 24 s wird durch das Photo-Verstärkungselement OA 3 s verstärkt. Wie oben gesagt, wird das Licht des Frequenz- Multipliers 24 s als Rückkopplungssignal bzw. -licht am halbdurchlässigen Spiegel HM 2 s mit dem von der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s ausgehenden Ausgangslicht zusammengebracht.

Aufgrund der oben beschriebenen Funktionen wird die optische Frequenz ω ₀ des Ausgangslichts des optischen PLL 2 s durch folgende Gleichung ausgedrückt:

ω ₀ = (ω s ± ω ₃)/n ± s ω ₅

(Die Symbole sind allerdings anders angeordnet als oben). Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der optische Frequenzvervielfachungsfaktor n den Wert 2. D. h., ω ₀ ist bei einem vorgegebenen Wert von n mit der optischen Frequenz ω s verriegelt, die bei der absoluten Wellenlänge eine hohe Genauigkeit und hohe Stabilität annimmt und eine Versetzung um eine willkürliche Frequenz ω ₃/n oder ω ₅ annimmt. Wenn ω ₃ oder l ₅ verändert bzw. gewobbelt werden, kann die optische Frequenz sehr genau verändert oder gewobbelt werden. Da ω ₃ und ω ₅ elektrische Signale sind, lassen sich die hohe Genauigkeit und die hohe Stabilität leicht erreichen.

Das Ausgangslichtsignal des optischen PLL 2 s wird dem Photo-Modulator 3 s eingegeben und dessen Amplitude mit Hilfe des Amplituden-Modulators AM 1 s moduliert. Überdies wird dessen Phase durch einen Phasen-Modulator PM 1 s moduliert und dann dessen Polarisationsrichtung mit Hilfe eines Polarisations-Modulators LM 1 s variiert. Das Ausgangslichtsignal des Photo-Modulators 3 s wird mit Hilfe eines Photo-Verstärkungselements OA 4 s eines Photo-Verstärkers 4 s verstärkt und ist damit das Ausgangssignal des Generators/Synthesizers.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel können Photo-Verstärker OA 1 s bis O 14 s verwendet werden, die mit dem Photo-Verstärker 2 a der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung übereinstimmen.

Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung der optischen Frequenzverschiebeschaltung 23 s und des Frequenz-Multipliers 24 s gegeneinander vertauscht. Die Frequenz ω ₀ des Lichtausgangssignals des optischen PLL 2 s kann durch folgende Gleichung angegeben werden:

ω ₀ = (ω s ± ω ₃ ± s ω ₅)/ n. (5)

Bei dem optischen PLL 2 s sind sowohl die Mischstufe MX 1 s als auch die optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s zur Addition der verschobenen Frequenzen ausgelegt und jeder von ihnen kann weggelassen werden.

Wenn darüber hinaus in dem optischen PLL 2 s der Vervielfachungsfaktor n den Wert 1 annimmt, kann der optische Frequenz-Multiplier 24 s weggelassen werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Absorptionslinien von Rb oder Cs in der Referenzwellenlängen- Lichtquelle verwendet. Die Absorptionslinien sind nicht auf Cs oder Rb beschränkt, sondern können auch NH₃ oder H₂O umfassen. Die wählbaren Absorptionslinien (1500 nm-Bereich) von NH₃ oder H₂O sind bei der absoluten Wellenlänge sehr genau und stabil. In diesem Fall ist der optische Frequenz-Multiplier 24 s nicht notwendig. Die Wellenlänge kann dann durch die Verwendung eines bekannten Fabry-Pèrot Resonators als Wellenlängendetektor stabilisiert werden. Jedoch weist das Verfahren, bei dem die oben genannten Absorptionslinien, deren Quanten standardisiert sind, bessere Eigenschaften auf.

Die Wahl der abstimmbaren Laserdioden VL 1 s bis VL 3 s ist nicht auf die im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel gewählten ADFB-Laser beschränkt, vielmehr können auch solche verwendet werden, bei denen ein externer Resonator mit einem Beugungsgitter außen auf das Laserdiodenchip angefügt ist, wobei das Beugungsgitter rotiert und eine variable Wellenlänge erhalten wird, indem die Wellenlängenselektivität optimal ausgenutzt wird. Das enge Spektrum ist besonders charakteristisch für Laserdioden mit externem Resonator.

Darüber hinaus können als abstimmbare Laser-Dioden VL 1 s bis VL 3 s die in den Fig. 19 bis 22 dargestellten Vorrichtungen verwendet werden.

Es können auch eine W-Ni (Wolfram-Nickel)-Punktkontaktdiode sowie ein Josephson-Element für den optischen Interferenz-Detektor 21 s verwendet werden. Die Bauteile weisen Funktionen auf, mit denen eine Multiplikation und eine Mischung ausgeführt werden können, so daß gleichzeitig l s, ω ₁ und ω ₃ eingegeben werden können und die in Fig. 27 dargestellte Mischstufe MX 1 s weggelassen werden kann. In diesem Fall ergibt sich folgende Beziehung zwischen den Ausgangssignalen dieser Elemente und den Eingangssignalen einer optischen Frequenz-Modulationsschaltung FCs: l ₄ = ω s - ω ₁ + m ω ₃, wobei m ein Multiplikationsfaktor ist. Es kann sich auch folgende Gleichung ergeben: ω ₄ = ω s - 2 ω ₁ + m ω ₃.In diesem Fall ist die Frequenz-Multipliziereinrichtung bzw. der Frequenz- Multiplier 24 s nicht notwendig.

Fig. 30 zeigt ein Blockdiagramm des Aufbaus eines anderen Ausführungsbeispiels des optischen Interferenz- Detektors 21 s. In dieser Figur ist mit OCs ein lokaler Oszillator mit einer optischen Ausgangsfrequenz von _L bezeichnet, der eine zweite Wellenlängenstabilisierungs- Lichtquelle verwendet; mit OXs wird eine optische Frequenz-Mischstufe bezeichnet, der die Ausgangslichtsignale des lokalen Oszillators OCs und des o. g. optischen Frequenz-Multipliers 24 s über ein Photo-Verstärkungselement OA 3 s eingegeben werden, wobei die Mischstufe einen nicht-linearen optischen Kristall verwendet. Mit ODs wird ein Photo-Detektor bezeichnet, der eine pinPhoto-Diode oder eine Lawinen-Photo-Diode aufweist und in den das optische Ausgangssignal der optischen Frequenz-Mischstufe OXs und das Ausgangslichtsignal der o. g. Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s zur Abgabe an die Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge eingegeben werden. Bei diesem Aufbau ergibt sich die optische Ausgangsfrequenz ω ₆ der optischen Frequenz-Mischstufe aufgrund von nichtlinearen optischen Effekten aus folgender Gleichung: ω ₆ = ω ₁ + l _L. Bei dem Aufbau gemäß Fig. 27 ergibt sich lediglich ω ₁, die sich mit Hilfe des Frequenz-Multipliers ohne Berücksichtigung der versetzten Frequenz aus folgender Gleichung ergibt: ω s = ω ₁ = n ω o. Mit dem in Fig. 30 gezeigten Aufbau ist es jedoch möglich, Licht mit vielen Wellenlängen zu erhalten. Die Gleichung λ ₁ = 9230 nm ergibt sich, wenn die Wellenlänge λ s von ω s so gewählt wird, daß sich der Wert 780 nm durch die Verwendung der Absorptionslinien von Rb ergibt, und wenn die Wellenlänge λ _L von ω _L so gewählt wird, daß sich durch die Verwendung der Absorptionslinien von Cs ein Wert von 852 nm ergibt. Dies ist auf die zwischen den Wellenlängen λ s, λ ₁, λ _L von ω s, ω ₁, ω _L bestehende Beziehung 1/λ s = 1/λ ₁ + 1/g _L zurückzuführen und darauf, daß bei einem Abgleich des Rückkopplungskreises die Gleichung ω s = ω ₆ gilt.

Fig. 31 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der in Fig. 26 dargestellten Vorrichtung, nämlich einen Generator/Wobbler für optische Frequenzen, der gleichzeitig zwei optische Frequenzen abgeben kann. Als Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s wird eine zwei Wellenlängen stabilisierende Laser-Diode verwendet, die auf dem Prinzip der gesättigten Absorption beruht (s. obige Beschreibung). Fig. 31 zeigt Laser-Dioden LD 11 s und LD 12 s, die Laser-Ausgangssignale verschiedener Wellenlängen abgeben; einen halbdurchlässigen Spiegel HM 4 s, der die Ausgangssignale der Laser-Dioden LD 11 s und LD 12 s zusammenfließen läßt bzw. zur Deckung bringt; einen halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s, der das vom halbdurchlässigen Spiegel HM 4 s ausgehende Signal in zwei Richtungen aufspaltet; eine Absorptionszelle CL 1 s ähnlich der in Fig. 27, auf die durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s tretendes Licht fällt; einen halbdurchlässigen Spiegel HM 6 s, auf den das aus der Absorptionszelle CL 1 s tretende Licht fällt; einen rückgestreutes Licht verhindernden Isolator IS 1 s, durch den das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM 6 s tritt; einen Spiegel M 4 s, auf den das vom halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s reflektierte Licht fällt; einen halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s, auf den das von dem Spiegel M 4 s reflektierte Licht fällt; ein Diaphragma LS 3 s, auf den das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s tretende Licht fällt; einen Spiegel M 5 s, auf den das Ausgangslicht des Diaphragmas LS 3 s fällt; einen Photo-Detektor PD 11 s, auf den das Ausgangslicht des Spiegels M 5 s fällt, nachdem es über den halbdurchlässigen Spiegel HM 6 s, die Absorptionszelle CL 1 s und den halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s gelaufen ist; einen Photo-Detektor PD 12 s, auf den vom halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s reflektiertes Licht nach Durchtritt durch die Absorptionszelle CL 1 s trifft; einen Differenzverstärker A 2 s zur Berechnung einer Differenz zwischen einem elektrischen Ausgangssignal des Photo-Detektors PD 11 s und einem elektrischen Ausgangssignal des Photo-Detektors PD 12 s; Lock-in-Verstärker LA 1 s und LA 2 s mit Laser-Dioden-Treiberschaltungen, in die die Ausgangssignale des Differenzialverstärkers A 2 s zur Abgabe eines Ausgangssignals an die Laser-Dioden LD 11 s und LD 12 s eingegeben werden; schließlich einen Isolator IS 1 s, der rückkehrendes Licht unterbindet und durch den das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM 6 s tritt.

Der optische PLL 2 s weicht in einigen Punkten von der in Fig. 27 gezeigten Darstellung ab. Mit MX 11 s und MX 12 s werden Mischstufen bezeichnet, in die ein elektrisches Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 21 s sowie FM-Modulationsfrequenzen Ω _A, Ω _B eingegeben werden. Die Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge weist folgende Elemente auf: optische Frequenz-Modulationsschaltungen FC 1 s und FC 2 s, in die die Ausgangssignale der Mischstufen MX 11 s und MX 12 s eingegeben werden; abstimmbare Laser-Dioden VL 4 s, VL 5 s mit LPF-Eigenschaften, deren Oszillationsfrequenzen durch die Ausgangssignale der optischen Frequenz-Modulationsschaltungen FC 1 s und FC 2 s gesteuert werden; rückkehrendes Licht verhindernde Isolatoren IS 21 s und IS 22 s, durch welche das Ausgangslicht der abstimmbaren Laser-Dioden VL 4 s und VL 5 s treten sowie einen Lichtwellen- Synthesizer OS 2 s, in den das Ausgangslicht der Isolatoren IS 21 s und IS 22 s eingegeben und verschmolzen wird. Andere Elemente stimmen mit den in Fig. 27 dargestellten überein.

Die Funktion dieser Vorrichtung wird im folgenden beschrieben: Unter der Vorraussetzung, daß die Lichtausgangssignale der Laser-Dioden LD 11 s, LD 12 s l _A + Ω _A, ω _B + Ω _B sind, werden die beiden Lichtströme in dem halbdurchlässigen Spiegel HM 4 s verschmolzen und mit Hilfe des halbdurchlässigen Spiegels HM 5 s in zwei Richtungen aufgespalten. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s fallende Licht tritt als Sättigungslicht durch die Absorptionszelle CL 1 s. Danach durchdringt das Licht den halbdurchlässigen Spiegel HM 6 s und wird dann über den Isolator IS 1 s an den optischen PLL 2 s abgegeben. Andererseits wird das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s reflektierte Licht von dem Spiegel M 4 s reflektiert und dann durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s in zwei Richtungen aufgespalten. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s tretende Licht fällt auf das Diaphragma LS 3 s und wird von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 6 s reflektiert. Das auf diese Weise reflektierte Licht, das Probenlicht, ist viel enger als das Sättigungslicht und wird auf die Absorptionszelle CL 1 s fallengelassen. Dann wird das Licht einer Absorption und dabei mittels Sättigungseffekten einer Doppler- Expansion mit einem genauen Pol- bzw. Zwischenraum unterworfen. Dann wird das Licht von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s reflektiert und trifft auf den Photo- Detektor PD 11 s. Das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s reflektierte Licht dient als Referenzlicht und fällt gemäß Fig. 31 in senkrechter Richtung auf die Absorptionszelle CL 1 s und wird dann absorbiert und dabei der Doppler-Expansion unterworfen. Anschließend fällt das Licht auf den Photo-Detektor PD 12 s. Der Differenz- Verstärker A 2 s berechnet eine Differenz zwischen den elektrischen Ausgangssignalen der Photo-Detektoren PD 11 s, PD 12 s und gibt das Differenzsignal als Eingangssignal an die beiden Lock-in-Verstärker LA 1 s, LA 2 s. Wenn Ω _A als Referenzfrequenz dient, bewirkt der Lock-in- Verstärker LA 1 s eine Synchronisationsgleichrichtung, erfaßt alleine Ω _A-Komponenten und steuert die Laser- Diode LD 11 s und verriegelt sie beispielsweise in den Absorptionslinien für F = 1 gemäß Fig. 28 auf die Mitte einer der Absorptionslinien r bis t gemäß Fig. 29, die eine infinitesimale Struktur aufweisen, wobei die Absorptionsbalken durch die Doppler-Verschiebung verdeckt sind. Ähnlich dient Ω _B als Referenzfrequenz, und der Lock-in-Verstärker LA 2 s bewirkt eine Synchronisationsgleichrichtung, erfaßt alleine Ω _B-Komponenten und steuert die Laser-Diode LD 12 s und verriegelt diese beispielsweise in den Absorptionsbalken von F = 2 gemäß Fig. 28 in der Mitte eines der Absorptionsbalken o bis q in Fig. 29, die jeweils eine infinitesimale Struktur haben und durch die Doppler-Verschiebung verborgen sind. Auf diese Weise wird eine zwei Wellenlängen stabilisierende Lichtquelle mit den Oszillationsfrequenzen ω _A + Ω _A und ω _B + Ω _B geschaffen. Das Lichtausgangssignal mit zwei Wellenlängen wird von der Referenzwellenlängen Lichtquelle 1 s in den optischen PLL 2 s eingegeben und wird gleichzeitig mit dem Lichtausgangssignal der optischen Frequenz-Multipliziereinrichtung bzw. des optischen Frequenz-Multipliers 24 s durch den optischen Interferenz-Detektor 21 s einer optischen Interferenz-Erfassung unterworfen. Als Ergebnis werden Detektorsignale beispielsweise mit folgenden Frequenzen erhalten |ω _A - ω _1A + Ω _A|, |ω _B - ω _1B + Ω _B|, |ω _A - ω _B + Ω _A + Ω _B|, |ω _A - ω _1B + Ω _A|,|ω _B - ω _1A + Ω _B|,wobei l _1A, ω _1B die beiden Frequenzen des Lichtausgangssignals des Frequenz-Multipliers 24 s sind. Im Betrieb des optischen PLL 2 s ergeben sich folgende Verhältnisse: ω _A ≈ ω _1A, ω _B ≈ ω _1B, da Ω _A, Ω _B Werte von einigen kHz annehmen und der Unterschied zwischen l _A und ω _B gemäß Fig. 29 einen Wert von 6,8 GHz annimmt, ist es möglich, Frequenz-Komponenten wie |l _A - ω _1A + Ω _A| und |ω _B - l _1B + Ω _B| dadurch herauszunehmen, daß den Photo-Detektoren PD 2 s Tiefpasseigenschaften gegeben werden. Die beiden Mischstufen MX 11 s und MX 12 s mischen die elektrischen Ausgangssignale des optischen Interferenz-Detektors 21 s mit den Frequenzen Ω _A und Ω _B, wodurch die Ausgangssignale ω _4A = |l _A - ω _1A| und ω _4B = |ω _B - l _1B| erzeugt werden. In der Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht veränderbarer Wellenlänge steuern die Frequenz-Modulationsschaltungen FC 1 s, FC 2 s die Oszillationsfrequenzen der Dioden VL 4 s, VL 5 s zur Erzeugung von Licht veränderbarer Wellenlänge, so daß die Ausgangssignale ω _4A + ω _4B der Mischstufen MX 11 s und MX 12 s zu Null werden. Die Lichtausgangssignale der Dioden VL 4 s, VL 5 s fallen über die Isolatoren IS 21 s, IS 22 s auf die Schaltung zur Verschmelzung von Lichtwellen bzw. den Lichtwellen-Synthesizer OS 2 s, in dem die Lichtausgangssignale verschmolzen werden, wodurch die Lichtausgangssignale zwei optische Frequenzen, nämlich ω _A/n ± s ω ₅ und ω _B/n ± s ω ₅ aufweisen.

Diese Lichtausgangssignale sind bei den Frequenzen Ω _A, Ω _B nicht FM-moduliert.

Mit dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel wurde ein Generator/Wobbler für optische Frequenzen mit zwei Frequenzen beschrieben. Die Anordnung ist jedoch nicht auf zwei Frequenzen beschränkt, vielmehr können eine Vielzahl wählbarer Frequenzen ebenfalls verwendet werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s beschrieben, die nach dem Sättigungs-Absorptionsverfahren arbeitet. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Wellenlängen auf die Mitte der Absorption von F = 1 und F = 2 gemäß Fig. 28 unter Verwendung der linearen Absorptionsmethode zu verriegeln. In diesem Fall wird Licht in Form von zwei Lichtströmen auf die Absorptionszelle CL 1 s einfallen gelassen und die beiden Lock-in-Verstärker bei der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s gemäß Fig. 27 verwendet.

Es ergibt sich aus Fig. 31, daß der Ultraschall-Modulator UM 1 s allein für die Versetzung und für die Änderung der optischen Frequenzen verwendet wird. Es sind jedoch die Frequenzen l _3A + Ω _A, ω _3B + Ω _B verfügbar, die durch die Addition der Verschiebefrequenzen ω _3A, ω _3B gewonnen werden anstelle der Eingangsfrequenzen Ω _A, Ω _B der Mischstufen MX 11 s, MX 12 s. In diesem Fall werden die optischen Frequenzen der Lichtausgangssignale zu (ω _A ± ω _3A)/n ± s ω ₅ und (l _B ± ω _3B)/n ± s ω ₅. Damit ist es möglich, die beiden Frequenzen gleichzeitig bei ω ₅ zu verändern und die beiden Frequenzen getrennt bei ω _3A und ω _3B zu verändern.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Sweeper/Wobbler für optische Frequenzen in der Lage, das Lichtausgangssignal bei den Absorptionslinien von Rb oder Cs bei der absoluten Wellenlänge mit hoher Genauigkeit und Stabilität zu verriegeln und ein Richtmaß von hoher Stabilität von 10^-12 oder mehr zu erreichen (als herkömmliche Frequenzrichtwerte werden die Mikrowellenresonanz von Cs (9 GHz) oder Rb (6 GHz) verwendet).

Da als abstimmbare Laser-Dioden ein ADFB (Acoustic Distributed Feedback)-Laser mit einem länglichen Resonator sowie eine Laser-Diode mit externem Resonator verwendet werden, ist die Güte Q des Resonators hoch, die Breite des Oszillationsspektrums kann daher verringert werden.

Da das Prinzip des optischen PLL mit aufgenommen wurde, kann eine sehr genaue Änderung der optischen Frequenz durchgeführt werden.

Dadurch, daß sowohl die Absorptionslinien von RB (780 nm, 795 nm) als auch das Multiplikationsverfahren verwendet werden, kann mit hoher Genauigkeit der Stabilität Licht im 1500 nm-Bereich abgegeben werden, das die geringsten Photo-Verluste in Photo-Verbindungsfasern aufweist. Dadurch ist die Erfindung in der Praxis bestens anwendbar.

Mit dem in Fig. 30 dargestellten Aufbau können viele Arten von optischen Frequenzen abgegeben werden.

Darüber hinaus können mit dem Aufbau gemäß Fig. 31 eine Vielzahl von optischen Frequenzen gleichzeitig abgegeben und diese getrennt geändert werden.

Im Fall des Aufbaus gemäß Fig. 31 ist es möglich, unnötige FM-Modulationsanteile aus den abgegebenen Lichtsignalen zu entfernen.

Auch bei der Schaltung gemäß Fig. 27, bei der ω ₃′ = ω ₃ + Ω in die Mischstufe MX 1 s eingegeben wird, kann die Entfernung solcher Frequenzanteile auf ähnliche Weise geschehen. In der genannten Gleichung steht Ω für die FM-Modulationsfrequenz bei Verwendung des Lock-in-Verstärkers.

Fig. 32 zeigt ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des Generators/Wobblers für optische Frequenzen mit einer Lichtquelle zur Abgabe mehrerer optischer Frequenzen. Bauteile, die mit denen gemäß Fig. 27, übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Mit 1 s wird eine Referenzwellenlängen- Lichtquelle bezeichnet, bei der die Wellenlänge stabilisiert ist. Mit 20 s wird ein erster optischer phasenverriegelter Schaltkreis, ein optischer PLL bezeichnet, in den das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s eingegeben wird; mit 30 s wird ein zweiter optischer PLL zweiter Stufe bezeichnet, in den das Ausgangslicht des ersten optischen PLL 20 s eingegeben wird, und schließlich wird mit 40 s ein dritter optischer PLL dritter Stufe bezeichnet, in den das Ausgangslicht des zweiten optischen PLL 30 s eingegeben wird.

Bei dem ersten optischen PLL 20 s empfängt der eine IN-Photo-Diode oder eine Lawinen-Photo-Diode aufweisende optische Interferenz-Detektor 21 als Eingangssignal auf der einen Seite das Ausgangslichtsignal der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s. Eine Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts durch das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 21 s gesteuert wird; eine Multiplikationsstufe 24 zur Multiplikation optischer Frequenzen weist einen Lichtleitungspfad aus nichtlinearem Material auf und multipliziert eine Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 22 s und sendet gleichzeitig deren Lichtausgangssignal an den optischen Interferenz-Detektor 21 s als Eingangssignal von der anderen Seite weiter.

In den optischen PLL 30 s und 40 s sind optische Interferenz- Detektoren 31 s und 41 s, die ähnlich dem oben beschriebenen Interferenz-Detektor 21 s beide als Eingangssignal von der einen Seite das Ausgangslichtsignal des optischen PLL 20 s und 30 s erhalten. Die beiden Mischstufen 34 s und 44 s erhalten als Eingangssignal von der einen Seite die elektrischen Ausgangssignale der jeweiligen optischen Interferenz-Detektoren 31 s und 41 s. Eine Schaltung 10 s zur Erzeugung einer Referenzverschiebungsfrequenz weist einen Oszillator zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals mit einer vorgegebenen Frequenz auf und sendet seine Ausgangssignale an jede der genannten Mischstufen 34 s und 44 s als deren Eingangssignale der anderen Seite. In Lichtquellen 32 s und 42 s zur Erzeugung von Licht verschiedener bzw. variabler Wellenlänge ähnlich der o. g. Lichtquellen werden die Ausgangssignale der Mischstufen 34 s und 44 s eingegeben. Sie senden einen Teil ihres Ausgangslichts als Eingangssignal der anderen Seite an die optischen InterferenzDetektoren 31 s und 41 s.

Die Funktion der so aufgebauten Vorrichtung wird im folgenden beschrieben: Wenn das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s in den optischen PLL 20 s eingegeben wird, steuert bzw. verriegelt dieser die Wellenlänge seines Ausgangslichts so, daß diese der Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s entspricht. Das Ausgangslichtsignal der Lichtquelle 21 s zur Erzeugung von Licht variabler bzw. variabler Wellenlänge tritt in die optische Frequenz- Multiplikationsschaltung 24 s und erzeugt eine sekundäre Oberwelle höheren Grades als Eingangslicht auf einem Lichtleitungspfad, der aus nichtlinearem Material besteht. Der optische Interferenz-Detektor 21 s gibt ein elektrisches Ausgangssignal, Interferenz-Signal, mit einer Frequenz ab, die der Differenz zwischen der Frequenz des Ausgangslichts der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s und dem Ausgangslicht der optischen Frequenz-Multiplikationsschaltung 24 s entspricht. Die Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht veränderlicher Wellenlänge steuert die Frequenz des Ausgangslichts so, daß die Frequenz des elektrischen Signals Null wird. D. h., die Ausgangsfrequenz der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s wird auf die Frequenz der optischen FrequenzMultiplikationsschaltung 24 s gebracht. Für die bisherigen Ergebnisse gilt folgende Gleichung:

fo ₁ = (1/2)fs (6)

wobei die Ausgangsfrequenz der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s fs und die Ausgangsfrequenz der Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge fo ₁ ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die sekundäre Oberwelle höherer Ordnung in dem Frequenz-Multiplier bzw. der optischen Frequenz-Multiplikationsschaltung 24 s verwendet. Wenn jedoch eine gewählte Oberwelle n-ter Ordnung verwendet wird, wird eine um den Faktor n reduzierte Ausgangsfrequenz erhalten.

Da die Referenzverschiebefrequenz fos einer Referenzverschiebefrequenz- Schaltung 10 s zu der Ausgangsfrequenz des optischen Interferenz-Detektors 31 s addiert wird, wird die Frequenz des Ausgangslichtssignals der Lichtquelle 32 s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge im zweiten optischen PLL 30 s durch folgende Gleichung gegeben:

fo ₂ = fo ₁ + fos
= (1/2) fs + fos (7)

Auf ähnliche Weise wird die Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 42 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge im optischen PLL 40 s durch folgende Gleichung ausgedrückt:

fo ₃ = fo ₂ + fos
= (1/2) fs + 2fos (8)

In Fig. 33 ist eine charakteristische Kurve des Frequenzspektrums dargestellt; aus ihr ergibt sich, daß es möglich ist, von den optischen PLL gemäß Fig. 32 ein Lichtausgangssignal mit einem Frequenzintervall fos, beispielsweise von 10 GHz, auszusenden.

Bei einer oben beschriebenen Lichtquelle zur Abgabe mehrerer optischer Frequenzen ist es möglich, das Referenz- Lichtsignal auf die Absorptionslinien von Rb bei einer absoluten Wellenlänge mit hoher Genauigkeit und Stabilität einzusteuern und dadurch eine sehr genaue Mehrfachlicht-Lichtquelle zu schaffen.

Die entsprechenden Frequenzintervalle können sehr genau gesteuert werden.

Darüber hinaus kann, da die jeweiligen Frequenzintervalle eng und beständig sind, eine optische Mehrfachfrequenz- Lichtquelle mit hoher Dichte verwirklicht werden.

Da als abstimmbare Laser-Dioden Laser-Dioden mit externem Resonator verwendet werden, ist es möglich, die Güte des Resonators zu verbessern und die Weite des Oszillationsspektrums zu vermindern.

In der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s ist die Absorptionswellenlänge der D₂-Linie von Rb 780 nm; dieser numerische Wert wird in dem optischen PLL 20 s multipliziert, so daß ein Wert von 1560 nm erhalten wird. Auf diese Weise kann ein Lichtausgangssignal im 1500 nm-Bereich der optischen Faserkommunikations-Wellenlänge erzeugt werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Verschiebungsfrequenz durch Zwischenschaltung eines Ultraschall-Modulators zwischen den Ausgang der Lichtquellen 32 s, 42 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge und die Eingänge der optischen Interferenz- Detektoren 31 s, 41 s variiert werden.

Der Multiplikator des Frequenz-Multipliers bzw. der Frequenz-Multiplikationsschaltung 24 s kann ganze Zahlen annehmen. Bei einem Multiplikator mit dem Wert 1 kann die optische Frequenz-Multiplikationsschaltung 24 s weggelassen werden. In diesem Fall ergeben sich folgende Frequenzen des Ausgangslichts:

fo ₁ = fs
fo ₂ = fs + fos
fo ₃ = 2fos. (9)

In diesem Fall wird der erste optische PLL 20 s weggelassen. Es kann stattdessen das Ausgangssignal der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s als Ausgangslicht erster Stufe verwendet werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die identische Referenzverschiebungsfrequenz fos bei jedem optischen PLL jeder Stufe hinzugefügt. Es können jedoch auch mehrere Referenzverschiebungsfrequenzen fos ₁, fos ₂, die sich voneinander unterscheiden, zu jeder Stufe addiert werden.

Der optische PLL ist nicht auf 3 Stufen beschränkt; es können auch wahlweise mehrere Stufen vorgesehen werden.

Im folgenden werden verschiedene Arten von Frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasern beschrieben, die als Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s und als Referenzwellenlängen- Laserlichtquelle des Generators/Wobblers für optische Frequenzen Verwendung finden.

In Fig. 34 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des oben beschriebenen frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers dargestellt. Das Bezugszeichen LD 1 bezeichnet einen Halbleiter-Laser. Mit PE 1 wird ein Peltier-Element zur Kühlung oder Erwärmung des Halbleiter-Lasers LD 1 bezeichnet. Eine Temperatursteuerungseinrichtung zur Steuerung der Temperatur des Halbleiter- Lasers LD 1 auf einen festgelegten Wert durch Betrieb des Peltier-Elements wird mit CT 1 bezeichnet. TB 1 bezeichnet einen Konstanttemperatur-Ofen, der die Temperaturveränderungen durch Abschirmung des Halbleilaterlasers LD 1 und des Peltier-Elements PE 1 vermindert. BS 1 bezeichnet einen Strahlungsteiler, der das von dem Halbleiter-Laser abgegebene Licht in zwei Richtungen aufspaltet. Mit UM 1 wird eine bekannte akusto- optische Ablenkungseinheit (AOD) bezeichnet, auf die ein von dem Strahlungsteiler BS 1 ausgehender Lichtstrahl fällt, wobei die akusto-optische Ablenkungseinheit eine Modulationseinrichtung bildet. CL 1 stellt eine Absorptionszelle dar, auf die gebeugtes Licht aus der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 fällt. Die Absorptionszelle CL 1 umfaßt eine Standardsubstanz (eingeschlossen Cs), welche das Licht bei spezifischen Wellenlängen absorbiert. PD 1 bezeichnet einen optischen Detektor, auf welchen das durch das Absorptionselement bzw. die Absorptionszelle CL 1 tretende Licht einfällt. A 1 bezeichnet einen Verstärker, in den die elektrischen Ausgangssignale des Photo-Detektors PD 1 eingegeben werden. LA 1 ist ein Lock-in-Verstärker, in den die elektrischen Ausgangssignale des Verstärkers A 1 eingegeben werden, und CT 2 bezeichnet einen PID-Regler, der eine Steuereinheit für den elektrischen Strom aufweist, in den die Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers LA 1 eingegeben werden und der den elektrischen Strom des Halbleiter-Lasers LD 1 steuert. Mit SW 1 wird ein Schalter bezeichnet, dessen eines Ende mit dem akusto-optischen Deflektor bzw. der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 verbunden ist. Mit SG 1 wird ein Signalgenerator bezeichnet, der die Ausgangssignale weiterleitet, durch die der Schalter SW 1 mit der Frequenz fm (beispielsweise 2 kHz) ein- und ausgeschaltet wird. SG 2 bezeichnet einen zweiten Signalgenerator, mit dem die andere Seite des Schalters SW 1 verbunden ist und der mit einer Frequenz von f _D, beispielsweise 80 MHz arbeitet.

Die Funktion des so aufgebauten frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers wird im folgenden beschrieben: Die Temperatur des Halbleiter-Lasers LD 1 wird durch das dazwischenliegende Peltier-Element PE 1 und mittels der Steuerschaltung CT 1, welche Temperatursignale an den Temperaturkonstanthaltungs-Ofen TB 1 abgibt, auf einen festen Wert eingestellt. Das von dem Halbleiter-Laser LD 1 ausgehende Licht wird in zwei Richtungen mit Hilfe des Strahlungsteilers BS 1 aufgespalten. Das reflektierte Licht wird als Ausgangslicht an die Umgebung abgegeben, während das durchgehende Licht in die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 einfallengelassen wird. Da die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 durch die Ausgangssignale der Frequenz f _D des Signalgenerators SG 2 getrieben wird, wenn sich der Schalter SW 1 in der Stellung AN befindet, wird der Hauptteil des einfallenden Lichts mit einer Frequenz γ ₀ gebeugt und dann einer Frequenz-Verschiebung bzw. Doppler-Verschiebung unterworfen. Das Licht der Frequenz γ ₀ + f _D wird als primäres Beugungslicht definiert und fällt auf das Absorptionselement CL 1. Wenn sich der Schalter SW 1 in der Stellung AUS befindet, fällt Licht der Frequenz γ ₀, welches als null-dimensionales Beugungslicht definiert wird, auf die Absorptionszelle bzw. das Absorptionselement CL 1. Der Schalter SW 1 wird durch einen Takt der Frequenz fm, welche von dem Signalgenerator SG 1 erzeugt wird, getrieben. Das auf die Absorptionszelle CL 1 fallende Licht wird einer Frequenzmodulation unterworfen, wobei die Modulationsfrequenz fm und die Modulationstiefe bzw. der Modulationsgrad f _D ist.

In Fig. 35 sind die Energieniveaus des Cs-Atoms dargestellt. Gemäß dieser Figur werden bei Einfall von Licht einer Wellenlänge von 852,112 nm auf Cs-Atome geladene Teilchen angeregt von 6 S_1/2 auf 6 P_3/2. Dadurch verliert das Licht Energie und es tritt Absorption ein. In diesem Fall werden die Energieniveaus 6 S_1/2 und 6 P_3/2 von zwei oder vier Teilchen hyperfeiner Struktur besetzt. Genau gesagt tritt die Absorption bei Licht mit sechs Wellenlängen oder Frequenzen zwischen diesen Energieniveaus ein. Da ein Absorptionsspektrum aufgrund der Doppler-Ausdehnung einige hundert MHz umfaßt, können normalerweise Teilchen infinitesimaler Struktur mit einem Energieniveau von 6 P_3/2 normalerweise nicht beobachtet werden. Daher ergeben sich, wie in Fig. 36 dargestellt, in einer Absorptionslinie zwei Arten von Absorptionen (a) und (b). (a) der Absorptionssignale gemäß Fig. 36 betrifft die von F 4 ausgehenden, d. h. (a) in Fig. 35; während (b) in Fig. 36 auf die von F 3 ausgehenden zurückgeht, was in Fig. 35 ebenfalls mit (b) dargestellt ist.

Wenn das von der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 modulierte Licht auf die Absorptionszelle CL 1 fällt, wie dies in Fig. 37 dargestellt ist, erscheint das Signal in dem Ausgang des durchtretenden Lichts, welches allein an dieser Stelle der Absorptionssignale, z. B. an (a) in Fig. 38, moduliert wird. Wenn dieses Signal mit Hilfe des Photo-Detektors PD 1 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, und dieses umgewandelte Signal in dem Lock-in-Verstärker LA 1 mit Hilfe des Verstärkers A 1 bei der Frequenz fm synchron gleichgerichtet wird, erhält man eine primäre Differential-Wellenform, wie sie in der charakteristischen Frequenzkurve in Fig. 38 dargestellt ist. Wenn die Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers LA 1 auf die Mitte der obengenannten primären Differentialwellenform verriegelt bzw. eingesteuert werden, hat das Ausgangslicht der Halbleiterdiode eine stabile Frequenz von γ _s - f _D/2.

Bei einem so aufgebauten frequenzstabilisierten Halbleiter- Laser weist, da die Oszillatorfrequenz des Lasers nicht moduliert wird, die Lichtquelle eine sehr stabile Verzögerungsfreiheit auf.

Selbst wenn der Wirkungsgrad der Beugung der akusto- optischen Ablenkungseinheit UM 1 variiert wird, nimmt eine optische Komponente, das null-dimensionale Beugungslicht, welches keinen Beitrag zur Modulation leistet, zu, während die Signalintensität abnimmt. Dabei wird auf die zentrale Wellenlänge kein Einfluß ausgeübt.

Bei dem oben beschriebenen praktischen Ausführungsbeispiel wird als Referenzfrequenz des Lock-in-Verstärkers LA 1 die Modulationsfrequenz fm verwendet; es können jedoch auch ungerade Vielfache dieser Frequenz ebenfalls verwendet werden.

Als Standardsubstanz können in dem Absorptionselement CL 1 beispielsweise Rb, NH₃, H₂O verwendet werden, nicht jedoch Cs.

Bei dem oben beschriebenen praktischen Ausführungsbeispiel wird eine akusto-optische Ablenkungseinheit als Modulationseinrichtung verwendet, jedoch ist die Anmeldung nicht darauf beschränkt. Es kann beispielsweise auch ein Phasenmodulator verwendet werden, der ein elektro-optisches Element aufweist. Eingeschlossen sind beispielsweise Modulatoren des Längs- und Lateraltyps sowie Wanderwellenmodulatoren.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der elektrische Strom des Halbleiter-Lasers durch die Ausgangssignale der Steuereinrichtung gesteuert. Die Anmeldung ist nicht auf diese Lösung beschränkt. Die Temperatur des Halbleiter-Lasers kann gesteuert werden.

Fig. 39 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines zweiten praktischen Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers. Ein Unterschied zur in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung besteht darin, daß ein FM-Modulator FM 1 von einem Sinuswellen- Generator SG 20, beispielsweise mit einer Modulationsfrequenz fm = 2 kHz gesteuert wird, wodurch die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 durch Sinuswellen moduliert wird.

In Fig. 40 ist das Blockdiagramm eines wesentlichen Teils des optischen Systems eines dritten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers dargestellt. Im folgenden werden nur die Teile der Vorrichtung erwähnt, die von der Einrichtung gemäß Fig. 34 abweichen. Das Bezugszeichen HM 1 bezeichnet einen halbdurchlässigen Spiegel, der das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 1 in zwei Richtungen aufspaltet und das reflektierte Licht von einer Seite auf die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 fallen läßt. M 1 bezeichnet einen Spiegel, von dem das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 1 tretende Licht reflektiert wird, wobei der Spiegel M 1 dafür sorgt, daß das reflektierte Licht aus einer anderen Richtung auf den akusto- optischen Deflektor UM 1 fällt. Wenn der Schalter sich in AUS-Stellung befindet, tritt das, von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 1 reflektierte Licht durch die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1, fällt dann mit einer Frequenz von q ₀ auf die Absorptionszelle CL 1. Wenn sich der Schalter SW 1 in EIN-Stellung befindet, wird das von dem Spiegel M 1 reflektierte Licht durch die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 gebeugt und fällt dann mit einer Frequenz γ ₀ + f _D auf die Absorptionszelle CL 1.

Der so aufgebaute frequenzstabilisierte Halbleiter- Laser hat den Vorteil, daß der Lichtweg innerhalb des Absorptionselements unbeweglich ist. Wenn jedoch ein Phasenmodulator mit einem elektro-optischen Element als Modulationseinrichtung verwendet wird, tritt diese Notwendigkeit nicht auf, weil die Richtung des austretenden Lichts unveränderlich ist.

Bei einem vierten Ausführungsbeispiel der Schaltung zur Erzeugung optischer Frequenzen bzw. des Halbleiter- Laser-Wellenlängen-Stabilisators gemäß Fig. 42 wird ein Teil des aus der akusto-optischen Ablenkungseinheit tretenden Lichtstroms als Pumplicht auf die Absorptionszelle fallengelassen, während ein anderer Teil enger Lichtströme des austretenden Lichts als Probenlicht von der entgegengesetzten Seite auf die Absorptionszelle einfallengelassen wird, wodurch gesättigte Absorptionssignale erhalten werden. Aufgrund dieser Spektroskopie mittels gesättigter Absorption verschwindet die Doppler-Ausdehnung. Daher ist es möglich, die hyperfeinen Strukturen, die anhand von Fig. 35 beschrieben wurden, zu unterscheiden. Da es möglich ist, Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers zu erhalten, die auf den hyperfeinen Strukturen gemäß Fig. 42 beruhen, ist es möglich, einen noch stabileren frequenzstabilisierten Halbleiter-Laser zu erhalten, indem auf eine der Frequenzen, beispielsweise auf γ ₁ in Fig. 42 verriegelt wird. Ein in Fig. 41 punktiert dargestellter Teil ist anders als in Fig. 34. Insbesondere sind Strahlungsteiler BS 5 bis BS 9, lichtempfangende Elemente PD 11, PD 2 sowie ein Differenz- bzw. Differential- Verstärker DA 1 vorgesehen. Die Ausgangssignale des DifferentialVerstärkers DA 1 werden einem Lock-in- Verstärker eingegeben. In einem solchen Fall ist der in Fig. 40 dargestellte Aufbau vorzuziehen, damit die Richtung des Ausgangslichts der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 sich überhaupt nicht verändert.

Fig. 43 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines fünften praktischen Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die in Fig. 34 dargestellte Anordnung zum Teil abgewandelt wurde. In Fig. 43 ist nur die Umgebung der Absorptionszelle dargestellt. Daher bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 Reflexionselemente und 3 den Lichtpfad des Ausgangslichts der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1, wobei das Licht das Beugungslicht nullter Dimension und das primäre Beugungslicht umfaßt. Das Ausgangslicht des akusto-optischen Deflektors UM 1 tritt durch die Absorptionszelle CL 1 und wird dann an dem Reflexionselement 2 reflektiert. Das reflektierte Licht durchdringt wieder die Absorptionszelle CL 1 und wird am Reflexionselement 1 reflektiert. Nach Durchtritt durch die Absorptionszelle CL 1 fällt das Licht auf den Photo- Detektor PD 1. Auf diese Weise ist die Absorption gleich, auch wenn die Länge der Absorptionszelle um den Faktor 3 reduziert wird, weil das Licht die Absorptionszelle CL 1 dreimal durchläuft.

Fig. 44 zeigt ein Blockdiagramm ähnlich dem in Fig. 43, das wesentliche Teile eines sechsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers zeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Breite der Absorptionszelles CL 1 sowie die Reflexionselemente 1 und 2 verbreitert, um eine größere Anzahl von Lichtreflexionen zu erzeugen. Das von dem akusto-optischen Ablenkungselement UM 1 ausgesandte Licht wird von den Reflexionselementen 1 und 2 reflektiert und fällt auf den Photodetektor PD 1. Das heißt, das Ausgangslicht tritt fünfmal durch die Absorptionszelle; auf diese Weise ist es möglich, die Länge der Absorptionszelle proportional zu vermindern. Die Anzahl der Durchläufe durch die Absorptionszelle CL 1 ist durch Einstellung der Breite sowohl die Absorptionszelle als auch der Reflexionselemente 1 und 2 als auch die Wahl des Winkels, unter dem das Ausgangslicht auf die Absorptionszelle fällt, frei wählbar.

Fig. 45 zeigt ein Blockdiagramm ähnlich dem in Fig. 44, welches einen wesentlichen Teil eines siebten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers zeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Reflexionselemente 1 und 2 nicht getrennt ausgeführt. Statt dessen bestehen sie in einer dünnen metallischen Schicht 4, die auf der Absorptionszelle CL 1 durch Bedampfung oder andere ähnliche Methoden aufgebracht wird. Auf diese Weise ist die Größe der Vorrichtung weiter reduzierbar.

Bei den in den Fig. 43 bis 45 beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei denen die Größe der Absorptionszelle gleich ist wie die herkömmlicher, kann die Länge des Lichtswegs gegenüber herkömmlichen Absorptionszellen verlängert werden. Dadurch kann die Absorption vergrößert und die Stabilität der Wellenlänge des abgegebenen Lichts verbessert werden.

In Fig. 46 ist ein Querschnitt durch eine Absorptionszelle CL 1 der in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung gezeigt, der wesentliche Teile der Absorptionszellen zeigt, die in einer die Zentralachse der Zelle einschließenden Ebene geschnitten wurde. Es handelt sich dabei um das achte Ausführungsbeispiel des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers. Mit dem Bezugszeichen 5 ist der Behälter der Absorptionszelle, mit 6 die Einfallsebene und mit 7 die Ausfallsebene des Lichtes, mit 8 eine verschlossene Öffnung und mit 9 eine Zentralachse der Absorptionszelle CL 1 bezeichnet. Sowohl die Einfallsebene 6 als auch die Ausfallsebene 7 sind um einen Winkel R gegenüber einer senkrecht auf der Mittelachse stehenden Ebene geneigt.

Fig. 47 zeigt eine Mehrfach-Reflexion von Licht in der Einfallsebene 6. Mit 10 wird der Strom des einfallenden Lichtes, mit 11 ein weiterer in den Behälter 5 der Absorptionszelle fallenden Lichtes, mit 12 ein durchtretender Lichtstrom, mit 13 ein Strom mehrfach innerhalb des Behälters 5 reflektiertes Licht und mit 14 ein weiterer Strom mehrfach reflektierten Lichtes, welches aus dem Behälter 5 austritt, bezeichnet. Da die Einfallsebene 6 nicht parallel zur senkrecht auf der Mittelachse 9 des Behälters 5 stehenden Ebene verläuft, werden die Ströme 13 und 14 mehrfach reflektierten Lichtes des Stromes 10 einfallenden Lichtes, welcher parallel zur Mittelachse 9 einfällt, in Richtungen reflektiert, die mit der des einfallenden Lichtes nicht übereinstimmen. Daher stören sich der Strom 11 einfallenden Lichtes und der Strom 13 mehrfach reflektierten Lichtes in keiner Weise. Ebensowenig stören und überlagern sich der Strom 10 einfallenden Lichts, der Strom 12 durchtretenden Lichts und der Strom 14 mehrfach reflektierten Lichts. Auf diese Weise werden keine auf Überlagerungen beruhende Störungen erzeugt. Das hindurchtretende Licht fluktuiert nicht mit der Frequenz, wodurch dessen Stabilität erreicht wird. Die für die Einfallsebene 6 gegebene Beschreibung gilt entsprechend für die Ausfallsebene 7. Der schräge Winkel R variiert entsprechend mit der Dicke des Behälters 5, dem Strahldurchmesser des einfallenden Lichts oder ähnlichem; aber normalerweise sind 2 bis 3° ausreichend. Der Behälter 5 ist als kreisförmiger Zylinder beschrieben, er kann jedoch jede andere geeignete Form annehmen. Jedenfalls sind die Einfalls- und Ausfallsebene eben und es ist lediglich notwendig, daß sie einander gegenüberliegen. Während die Einfalls- und Ausfallsebenen 6 und 7 des Behälters 5, beispielsweise aus lichtdurchlässigem Material bestehen, brauchen andere Bereiche nicht transparent zu sein. Darüber hinaus braucht bei den Einfalls- und Ausfallsebenen 6, 7 nicht unbedingt auf der Innen- und Außenseite des Behälters 5 eine Neigung gegeben zu sein. Es genügt, wenn eine der beiden Seiten geneigt ist.

Fig. 48 zeigt ein Blockdiagramm eines neunten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die unterkritische Absorption von Licht verwendet wird. In dieser und Fig. 34 verwendete, gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Mit FB 1 wird eine einwellige optische Faser bezeichnet, auf die das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 1 fällt, und mit CP 1 ein Faser-Kopplungselement, in welches das Ausgangssignal der optischen Faser FB 1 eingegeben wird. Mit FB 2 wird eine weitere einwellige optische Faser bezeichnet, auf die ein Strom des Ausgangslichts des Faser-Kopplungselements CP 1 fällt. FB 3 stellt eine weitere einwellige optische Faser dar, auf die ein weiterer Strom des Ausgangslichts des Faser-Kopplungselements CP 1 fällt. Mit UM 11 wird eine akusto-optische Ablenkungseinheit mit durchgehendem Wellenleiter bezeichnet, in die das Ausgangslicht der optischen Faser FB 3 eingegeben wird. Mit FB 4 wird eine weitere einwellige optische Faser bezeichnet, auf die das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 11 fällt, und die Licht an den Photo-Detektor PD 1 abgibt. CL 11 bezeichnet eine Absorptionszelle, durch welche die optische Faser FB 4 tritt und die eine Standardsubstanz u. a. auch Cs einschließt, welche Licht bei einer gegebenen Wellenlänge absorbiert. Mit a wird ein Kernbereich der optischen Faser FB 4 bezeichnet, der nach Entfernung des Überzugs übrigbleibt.

Die Funktion eines so aufgebauten frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers wird im folgenden beschrieben.

Das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 1, dessen Temperatur gesteuert ist, pflanzt sich über die optische Faser FB 1 fort und wird dann in zwei Richtungen mit Hilfe des Faser-Kopplungselements CP 1 aufgespalten. Ein Strom des so aufgespaltenen Ausgangslichts wird nach außen über die optische Faser FB 2 abgegeben; der andere Strom des Ausgangslichts wird über die optische Faser FB 3 auf die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 fallengelassen. Das mittels der Ablenkungseinheit UM 1 modulierte Licht pflanzt sich über die optische Faser FB 4 fort und durchdringt die Absorptionszelle CL 11. Gemäß Fig. 48 wird innerhalb der Absorptionszelle CL 11 eine unterkritische Welle erzeugt, das heißt ein Bereich, in dem das sich fortpflanzende Licht aus dem Kernbereich der optischen Faser FB 4 herausdringt. Ein elektrisches Feld in diesem Bereich wirkt auf das umgebende Cs-Gas, wodurch die Absorption bei der spezifischen Wellenlänge stattfindet. Dadurch werden, wenn das Ausgangssignal der optischen Faser FB 4 mittels eines Photo-Detektors PD 1 erfaßt wird, Absorptionssignale erzeugt. Auf diese Weise kann die Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers auf einen Bereich nahe der Mitte der Absorption eingesteuert werden, wie dies herkömmlicherweise der Fall ist, wenn Signale über den Lock-in- Verstärker LA 1 und ähnliches in den Halbleiter-Laser LD 1 zurückgeführt werden.

Mit einem frequenzstabilisierten Halbleiter-Laser der oben beschriebenen Art können dieselben Vorteile des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 34 erreicht werden. Darüber hinaus besteht das optische System gänzlich aus optischen Fasern, so daß eine Positionierung nicht nötig ist. Dies führt zu einer Vereinfachung der Einstellung und der Miniaturisierung der Vorrichtung.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine durch das Absorptionselement CL 11 tretende einwellige optische Faser FB 4 beschrieben. Die Erfindung ist auf diese Art Faser nicht beschränkt; es sind auch mehrwellige Fasern verwendbar.

Fig. 50 zeigt ein Blockdiagramm des wesentlichen Bereichs eines zehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die Form eines Elements 100, welches in Fig. 48 abgebildet ist, abgewandelt und die Methode der gesättigten Absorption verwendet wird. FB 5 bezeichnet eine einwellige optische Faser, mit der das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 11 weitergeleitet wird. CP 2 bezeichnet ein Faser-Kopplungselement, dessen eines Ende mit der optischen Faser FB 5 verbunden ist. Mit FB 6 wird eine weitere einwellige optische Faser bezeichnet, die mit dem anderen Ende des Faser-Kopplungselements CP 2 verbunden ist. Mit b wird der Kernbereich der optischen Faser FB 6 innerhalb der Absorptionszelle CL 2 beschrieben, der nach Entfernung eines Überzugsbereichs übrigbleibt. Mit 15 wird eine Endfläche der optischen Faser FB 6 bezeichnet, die mit einem halbdurchlässigen Spiegel beschichtet ist. PD 21 bezeichnet einen ersten Photo-Detektor, der das durch die Endfläche 15 übertragene Licht erfaßt. PD 11 steht für einen zweiten Photo-Detektor, welcher das von der Endfläche 15 der optischen Faser FB 6 reflektierte Licht mit Hilfe des Faser-Kopplungselements CP 2 erfaßt. A 11 bezeichnet einen Differential- bzw. Differenzverstärker, in den die elektrischen Ausgangssignale der Photo- Detektoren PD 21, PD 11 eingegeben werden und der diese an den Lock-in-Verstärker LA 1 weiterleitet.

Bei der in Fig. 50 dargestellten Vorrichtung fällt das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 11 über die optische Faser FB 5 auf das Faser- Kopplungselement CP 2 und pflanzt sich über die optische Faser FB 6 fort. Anschließend werden unterkritische Wellen außerhalb des Kernbereichs b erzeugt, die als Pumplicht die Lichtabsorption der Standardsubstanz, beispielsweise Cs, in der Nähe des Kernbereichs sättigen. Der größte Teil, beispielsweise 90%, des durch die optische Faser FB 6 sich fortpflanzenden Lichts, fällt über die Endfläche 15 auf den Photo-Detektor PD 21. Andererseits wird der Rest, beispielsweise 10%, des Lichts an der Endfläche 15 reflektiert und pflanzt sich über die optische Faser FB 6 in umgekehrter Richtung fort, wobei seine Durchgangswellen, die als Probenlicht definiert und mit dem oben erwähnten Pumplicht überlappt werden, die Sättigung fördern. Dieses Probenlicht wird über eine optische Faser FB 7 über das Faser- Kopplungselement CP 2 an den Photo-Detektor PD 11 weitergeleitet. Da die Ausgangssignale der Photo-Detektoren PD 21 und PD 11 mit Hilfe des Differenzverstärkers A 11 voneinander abgezogen werden, werden die Absorptionssignale aufgrund der Doppler-Expansion ausgelöscht, wodurch die Abgabe der Signale der gesättigten Absorption an den Lock-in-Verstärker mit scharfen Absorptionsspektren erfolgt. Aufgrund des Rückkopplungskreises, ähnlich dem in Fig. 48, ist es möglich, die Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers LD 1 mittels der Spitzen des gesättigten Absorptionsspektrums sehr stabil zu steuern.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Endfläche 15 mit einem halbdurchlässigen Spiegel beschichtet. Darin ist keine Beschränkung zu sehen, es kann vielmehr auch ein halbdurchlässiger Spiegel beispielsweise zwischen die optischen Fasern FB 6 eingebracht werden.

In Fig. 51 ist ein Blockdiagramm eines elften Aufführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers dargestellt. Im folgenden werden nur die Teile beschrieben, die von Fig. 34 abweichen. Mit dem Bezugszeichen 16 ist ein Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor bezeichnet, in den die Ausgangssignale des Verstärkers A 1 und die des Lock-in-Verstärkers LA 1 eingegeben werden. Mit 17 wird ein Komparator, eine Vergleichsstufe, mit einem invertierenden Eingang bezeichnet, in den die Ausgangssignale des Verstärkers A 1 eingegeben werden. Mit 18 wird eine Spannungsquelle zur Abgabe einer Sollwert- bzw. Einstellspannung, die zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 17 und einem gemeinsamen Potentialpunkt liegt. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 wird mittels des Komparators 17 gesteuert.

Bei einem solchen Aufbau ergibt sich eine Resonanzabsorption der Absorptionszelle CL 1, wie sie in Fig. 52 dargestellt ist. Wenn die Frequenz des Ausgangslichts der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 auf einen Wert P eingestellt wird, nimmt der Betrag des durchgelassenen Lichts zu. Das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 wird weit in negative Richtung abgelenkt, und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 nimmt ab. Im folgenden findet eine langsame Verschiebung von dem Punkt P in Richtung auf die unterste Stelle der Resonanzabsorption statt, das heißt in Richtung auf die Frequenz γ _s. Gleichzeitig nimmt das Volumen des durchtretenden Lichts ab, während das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 langsam zunimmt. An der Stelle Q wird das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 größer als die Spannung der Spannungsquelle 18, das Ausgangssignal des Komparators 17 nimmt ein niedriges Niveau ein und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor nimmt zu, wodurch das Ausgangssignal des Halbleiter-Lasers LD 1 sehr stabil an der Stelle R festgehalten wird.

Fig. 53 zeigt ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines zwölften Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem eine Vielzahl von Komparatoren bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 51 verwendet werden und eine Vorrichtung zur Änderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 16 mehrfach ausgeführt ist. Mit den Bezugszeichen 171, 172 und 173 sind Komparatoren bezeichnet. Der Ausgang des Verstärkers A 1 ist mit den invertierenden Eingangsklemmen dieser Komparatoren verbunden, deren Ausgangssignale die Ausgangssignale des Verstärkers 16 steuern. Mit 181, 182 und 183 sind Spannungsquellen zur Abgabe einer Einstellspannung bezeichnet, die mit den nichtinvertierenden Eingangsklemmen der Komparatoren 171, 172, 173 verbunden sind. Obwohl das hier nicht dargestellt ist, werden wie in Fig. 51 die Ausgangssignale des Photo-Detektors PD 1 in den Verstärker A 1 eingegeben und die Ausgangssignale des Verstärkers 16 in den Lock-in-Verstärker LA 1. Bei diesem Aufbau nehmen die Komparatoren 171, 172, 173 jeweils niedrige Niveaus an den Stellen S, T, Q in Fig. 52 ein, und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 steigt allmählich. Dabei kann man sich dem Punkt R mit hoher Geschwindigkeit nähern. Anschließend kann der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 gesteuert werden.

In Fig. 54 ist ein Blockdiagramm eines dreizehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers dargestellt, bei dem die sekundäre Differentialkurve des Verstärkers A 1 als Eingangssignal für den Komparator der Vorrichtung gemäß Fig. 51 verwendet wird. Abweichungen von Fig. 51 werden im folgenden beschrieben. Der Signalgenerator SG 1 führt eine FM-Modulation von SG 2 mittels Sinus- oder Zerhackerwellen durch. Die Ausgangssignale des Verstärkers A 1 werden dem Lock-in-Verstärker LA 2 und dem Verstärker 16 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor eingegeben. Der Lock- in-Verstärker LA 2 wird mittels des Signalgenerators SG 1 getrieben, der ein Ausgangssignal mit einer Frequenz von 2 fm erzeugt, die zweimal so hoch ist wie die Modulationsfrequenz des Signalgenerators SG 2, wodurch eine synchrone Gleichrichtung erfolgt. Auf diese Weise kann das sekundäre Differential des Verstärkers A 1 erzeugt werden. Die Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers LA 2 werden an den invertierenden Eingang des Komparators 17 gelegt, der diese Signale weiterleitet, um den Verstärker 16 zu steuern. Die Ausgangssignale des Verstärkers 16 werden in den Lock-in-Verstärker LA 1 eingegeben. Mit 18 ist die Spannungsquelle zur Abgabe einer Einstellspannung bezeichnet, die mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 17 verbunden ist.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 51, 53 und 54 überschreitet das Ausgangslicht des Halbleiter- Lasers auch dann einen vorgegebenen Wert nicht, wenn das Ausgangslicht von dem vorgegebenen Wert weit abweicht, und es ist möglich, den vorgegebenen Wert mit hoher Stabilität einzuhalten. Aufgrund dieses Vorteils ist es möglich, das Ausgangslicht des Halbleiter- Lasers auch dann auf den vorgegebenen Wert zurückzuführen, wenn es weit von diesem abweicht. Gleichzeitig wird die Wellenlänge sehr stabil.

Bei allen Ausführungsbeispielen der Fig. 51, 53 und 54 ist der Verstärker 16 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor hinter dem Verstärker A 1 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, diesen Verstärker 16 hinter dem Lock-in-Verstärker LA 1 und der PID-Steuerung CT 2 anzuordnen. Das heißt, der Verstärker 16 kann an beliebiger Stelle innerhalb des Rückkopplungskreises angeordnet sein.

Fig. 55 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines vierzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die Temperatur des Absorptionselements CL 1 mit Hilfe der Vorrichtung gemäß Fig. 34 auf einen festen Wert eingestellt wird. Mit 19 wird ein Ofen konstanter Temperatur bezeichnet, der von adiabatischem Material umgeben ist. Im Inneren des Ofens befindet sich die Absorptionszelle CL 1. Außerdem ist ein Durchlaß für das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 vorgesehen. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet ein Temperatur-Meßelement, welches in dem Ofen 19 angeordnet ist. Das Ausgangssignal des Temperatur-Meßelements 20 wird einer Temperatur-Einstellvorrichtung 21 eingegeben. Dessen Ausgangssignale werden einer Heizung 22 eingegeben. Das heißt, die Temperatursteuereinheit weist den Ofen 19 konstanter Temperatur, das Temperatur-Meßelement 20, die Temperatur-Einstellvorrichtung 21 sowie die Heizung 22 auf. Die in dem Ofen 19 herrschende Temperatur wird mittels des Temperatur-Meßelements 20 gemessen. Die Heizung 22 wird von der Temperatur-Einstellvorrichtung 21 so gesteuert, daß sie die Temperatur innerhalb des Ofens 19 konstanter Temperatur hält. Die Temperatur ist auf einen solchen Wert festgelegt, daß das Absorptionsvolumen in Übereinstimmung mit den Abmessungen der Absorptionszelle groß ist und daß deren sekundäres Differential ein Maximum annimmt. Wenn als Standardsubstanz Cs verwendet wird, ist das Absorptionsvolumen bei einer Temperatur von weniger als 20°C klein. Der geeignetste Wert des sekundären Differentials der Absorptionsmenge liegt in der Nähe von 40°C.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird die Temperatur des Absorptionselements auch dann konstant gehalten, wenn die Umgebungstemperatur variiert. Dadurch findet weder eine Änderung des Absorptionsvolumens noch des Wertes des sekundären Differntials statt, und die Stabilität der Wellenlänge des Ausgangslichts wird durch Änderungen der Umgebungstemperatur nicht erniedrigt. Darüber hinaus können Temperaturen, bei denen die Absorptionsmenge der Absorptionszelle zunimmt, unabhängig von der Umgebungstemperatur gewählt werden, wodurch eine relativ große Absorption selbst bei kleinen Absorptionselementen erreichbar und dadurch die Vorrichtung miniaturisierbar ist. Darüber hinaus ist diese innerhalb eines großen Bereichs von Umgebungstemperaturen einsetzbar.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird allein eine Heizung zur Steuerung der Temperatur verwendet. Wenn jedoch die Temperatur auf einen Wert nahe der Umgebungstemperatur eingestellt werden soll, kann zusätzlich ein Kühlelement verwendet werden. Darüber hinaus können an Stelle der Heizung 22 Elemente wie beispielsweise Peltier-Elemente verwendet werden, die heizen und kühlen können.

Das Temperatur-Meßelement 20 und die Temperatur-Einstellvorrichtung 21 können weggelassen werden, wenn ein PTC-Heißleiter oder ein Kaltleiter verwendet werden, dessen Widerstandswert proportional zur steigenden Temperatur zunimmt.

Fig. 56 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die Absorptionszelle nicht nur der Umgebungstemperatur, sondern auch einem magnetischen Feld bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 34 ausgesetzt ist. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet eine weichmagnetische Platte aus Permalloy oder ähnlichem. Mit 24 wird ein adiabatisches Material bezeichnet, das die Absorptionszelle CL 1 bis auf einen Durchlaß für das Ausgangslicht der akusto- optischen Ablenkungseinheit UM 1 umgibt. Mit einem Temperatur- Meßelement 201 wird die Temperatur in der Umgebung der Absorptionszelle CL 1 gemessen. Das Ausgangssignal des Temperatur-Meßelements wird einer Temperatur- Einstellvorrichtung 211 eingegeben. Eine Heizung 221 wird von der Temperatur-Einstellvorrichtung 211 betrieben. Die Temperatur eines von der weichmagnetischen Platte 23 und dem adiabatischen Material 24 eingeschlossenen Luftraums wird so gesteuert, daß sie unveränderlich ist und zwar mit Hilfe des Temperatur-Meßelements 201, der Temperatur-Einstellvorrichtung 211 und der Heizung 221.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird das Ausgangssignal bei Änderungen der Umgebungstemperatur konstant gehalten, während die magnetische Abschirmung mit Hilfe der weichmagnetischen Platte erfolgt. Auf diese Weise können Zeeman-Aufspaltungen des Absorptionsspektrums aufgrund des äußeren Magnetfelds und daraufhin erfolgende Frequenzänderungen des Ausgangslichts, wodurch die Wellenform verzerrt wird, vermieden werden, indem Einflüsse des Erdmagnetismus′ abgeschirmt werden. Es ist also nicht notwendig, die gesamte Vorrichtung in einer magnetischen Abschirmung unterzubringen, wodurch diese klein wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 56 sind zwei weichmagnetische Platten 23 und eine Schicht aus adiabatischem Material 24 vorgesehen. Es können jedoch auch nur eine Platte 23 aus weichmagnetischem Material aber auch mehrere übereinandergelegte Platten vorgesehen werden. Im letzteren Fall können dünne weichmagnetische Platten 23 und adiabatische Schichten alternativ laminiert werden, wodurch der Magnetabschirmungseffekt gesteigert wird.

Wenn sich die Umgebungstemperatur nicht stark ändert, kann die Heizung 221 weggelassen werden.

Fig. 57 zeigt ein Blockdiagramm eines sechzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers, bei dem die Wellenlängen des Ausgangssignals der Vorrichtung gemäß Fig. 34 mehrfach aus 34084 00070 552 001000280000000200012000285913397300040 0002003643569 00004 33965gelegt sind. Der Aufbau ist so gewählt, daß die Ströme des Ausgangslichts der Halbleiter-Laser LD 1, LD 2 mit Hilfe der Strahlungsteiler BS 1 und BS 2 aufgespalten werden und ein Teil von ihnen Lichtausgangssignale sind. Der Rest der so aufgespaltenen Lichtströme wird in akusto-optische Ablenkungseinheiten UM 1, UM 2 eingegeben. Die Ausgangssignale der akusto-optischen Ablenkungseinheiten UM 1 und UM 2 werden mit Hilfe der Strahlungsteiler BS 3, BS 4 verbunden und dann der Absorptionszelle CL 1 eingegeben. In dieser ist eine Substanz eingeschlossen, welche die Laserstrahlen mit mehrfachen Wellenlängen absorbiert. Als Substanz kommen beispielsweise in Frage Cäsium (Cs), Rubidium (Rb), Ammoniak (NH₃) und Wasser (H₂O). Das heißt, daß mehrere Absorptionsspektren in dem durch die Absorptionszelle CL 1 tretenden Licht erzeugt werden. Die durch die Absorptionszelle CL 1 tretenden Laserstrahlen werden auf ein lichtempfangendes Element PD 1 fallengelassen und in elektrische Signale umgewandelt, die der einfallenden Lichtstärke entsprechen. Die elektrischen Signale werden Lock-in-Verstäkern LA 11, LA 12 und dann Stromsteuerschaltungen CT 21, CT 22 eingegeben. Die Ausgangssignale der Stromsteuerschaltungen CT 21, CT 22 werden den Halbleiter- Dioden LD 1, LD 2 eingegeben. Da der angelegte Strom durch die von den Stromsteuerschaltungen CT 21, CT 22 erzeugten Signale vorgegeben ist, wird die Oszillationsfrequenz der Halbleiter-Laser LD 1, LD 2 durch diese elektrischen Stromwerte bestimmt. Ein Oszillator SG 2 mit einer Frequenz von f _D von beispielsweise 80 MHz, ist über Schalter SW 1, SW 2 mit den akusto-optischen Ablenkungseinheiten UM 1, UM 2 verbunden. Die Ausgangssignale der Oszillatoren SG 11, SG 12, die eine Frequenz von beispielsweise fm ₁ = 2 kHz und fm ₂ = 2,5 kHz aufweisen, sind mit den Schaltern SW 1 und SW 2 verbunden. Dadurch wird die Oszillationswellenlänge des durch die akusto-optischen Ablenkungseinheiten UM 1, UM 2 tretenden Lichts mit den Frequenzen fm ₁ und fm ₂ moduliert. Die Ausgangssignale der Oszillatoren SG 11, SG 12 werden auch den Lock-in-Verstärkern LA 11, LA 12 eingegeben und dann synchron mit der Frequenz fm ₁, fm ₂ gleichgerichtet. Eine Steuereinrichtung weist also die elektrischen Stromsteuerschaltungen CT 21, CT 22 sowie die Lock-in-Verstärker LA 11 und LA 12 auf.

Die Funktion des so aufgebauten Halbleiter-Laser-Wellenlängen- Stabilisators wird im folgenden beschrieben:

Zur Erläuterung wird als absorbierende Substanz, welche die Absorptionszelle CL 1 aufweist, Cäsium (Cs) verwendet.

Das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 1 wird durch den Strahlenteiler BS 1 in zwei Richtungen aufgespalten. Das reflektierte Licht wird Ausgangslicht und nach außen abgestrahlt, während das durchtretende Licht auf die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 trifft. Bei der in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung wird das eine Frequenz von γ ₁ aufweisende Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 1 mit Hilfe der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 einer Frequenzmodulation unterworfen, wobei die Modulationsfrequenz fm ₁ und die Modulationstiefe bzw. der Modulationsgrad f _D ist. Danach fällt das modulierte Licht auf die Absorptionszelle CL 1. Ähnlich wird das eine Frequenz von q ₂ aufweisende Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 2 mittels der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 2 frequenzmoduliert, wobei die Modulationsfrequenz fm ₂ und der Modulationsgrad f _D ist. Das Ausgangslicht fällt dann auf die Absorptionszelle CL 1.

Wenn das Licht mit den Frequenzen γ ₁ und γ ₂ die Absorptionszelle CL 1 mit den Cs-Atomen durchdringt, treten bezüglich des durchtretenden Lichts die in Fig. 27 dargestellten Absorptionssignale auf, die der Änderung von γ ₁ und γ ₂ entsprechen. Entsprechend haben die Ausgangssignale der Lock-in-Verstärker LA 11, LA 12 die in den Fig. 58 und 59 dargestellte Wellenform, wobei die Signale gemäß Fig. 36, die von dem lichtempfangenden Element PD 1 abgegeben werden, differenziert werden.

Wenn das Licht mit der Frequenz γ ₁ mit der Modulationsfrequenz fm ₁ und das Licht mit der Frequenz γ ₂ mit der Modulationsfrequenz fm ₂ moduliert werden, wenn die Lock-in-Verstärker LA 11, LA 12 synchron mit den Modulationsfrequenzen fm ₁, fm ₂ gleichgerichtet werden, wobei für fm ₁ und fm ₂ die Gleichung k.fm ₁ = n. fm ₂ gilt und k und n ganze Zahlen sind, macht sich der Einfluß von Licht mit einer Frequenz γ ₂ in dem Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA 11 und der Einfluß von Licht mit der Frequenz γ ₁ im Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA 12 nicht bemerkbar. Daher nehmen die Ausgangssignale der Lock-in-Verstärker LA 11, LA 12 jeweils die in Fig. 58 und 59 dargestellte Wellenform an, wobei das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA 11 in Fig. 58 und das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA 12 in Fig. 59 dargestellt ist. Wenn die Oszillationsfrequenzen der Halbleiter-Laser LD 1, LD 2 durch die elektrischen Stromsteuerschaltungen CT 21, CT 22 so gesteuert werden, daß das Ausgangssignal des Lock- in-Verstärkers LA 11 sich am Punkt A in Fig. 58 und das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA 12 an Punkt B in Fig. 59 befindet, werden die Laserstrahlen der Ausgangssignale dadurch gekennzeichnet, daß ihre Wellenlänge etwa 852,112 nm beträgt, wodurch die Ströme des Lichts zwei Wellenlängen aufweisen, die sich voneinander um 9,2 GHz unterscheiden.

Bei diesem einfachen Aufbau des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers mit einer Absorptionszelle ist es möglich, Laserstrahlen mit mehreren stabilen Wellenlängen abzugeben.

An Stelle von Cs soll im folgenden Fall Rb verwendet werden. Wie bei Cs hat das Basisniveau eine hyperfeine Struktur, bei der F = 1 und F = 2 ist. Wenn die Frequenz, bei der die Absorption von F = 1 verursacht wird, γ ₁ ist und die Frequenz, bei der die Absorption von F = 2 verursacht wird, γ ₂ ist, ist Δ γ = q ₁ - γ ₂ die Differenz zwischen den Frequenzen, wobei bei ⁸⁷Rb Δ γ = 6,8 GHz beträgt und bei ⁸⁵Rb Δ γ = 3 GHz. -Wenn D₁-Linien von Rb (die Anregung von einem Niveau von 5 S_1/2 auf ein Niveau von 5 P_3/2 ergibt 794,7 nm) und D₂-Linien von Rb (die Anregung von einem Niveau von 5 S_1/2 auf ein Niveau von 5 P_1/2 ergibt 780,0 nm) verwendet werden, gilt folgende Gleichung: Δ γ = 14,7 nm. Durch den Durchtritt durch Cs und Rb ergibt sich Δ γ = 852,1 - 780 (oder 794,7) = 72,1 (oder 57,4) nm. Darüber hinaus können die molekularen Absorptionslinien von H₂O und NH₃ oder ähnlichem verwendet werden.

Die Anzahl der Halbleiter-Laser ist nicht auf zwei beschränkt. Wenn die Anzahl der Laser erhöht wird, können verschiedene Typen eingesetzt werden, indem die obengenannten Frequenzen kombiniert werden. Dabei müssen die akusto-optische Ablenkungseinheit, der Lock- in-Verstärker, der Oszillator und die elektrische Stromsteuerschaltung proportional ergänzt werden.

Bei dem in Fig. 60 dargestellten Aufbau eines siebzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers ist es möglich, die hyperfeinen Strukturen, die anhand von Fig. 35 beschrieben wurden, zu unterscheiden, weil aufgrund der oben beschriebenen gesättigten Absorptionsspektroskopie die Doppler-Expansion verschwindet. Folglich erhält man das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers, welches auf der infinitesimalen Struktur gemäß Fig. 42 beruht, so daß Δ q weiter reduziert werden kann, je nach der Position, an der es verriegelt wird. Der gestrichelt dargestellte Bereich in Fig. 60 unterscheidet sich von Fig. 57. Es ergibt sich aus Fig. 60, daß Strahlungsteiler BS 5 bis BS 9, lichtempfangende Elemente PD 11, PD 2 und ein Differenzverstärker DA 1 vorgesehen sind. Die Ausgangssignale des Verstärkers werden den Lock-in- Verstärkern zugeführt.

Die Frequenzen höherer Oberwellen von fm ₁ oder ähnlichem können als Frequenz eines Signals verwendet werden, welches den Lock-in-Verstärkern gemäß Fig. 57 eingegeben wird. In dem Fall, in dem eine dreifache harmonische Welle bzw. die dritte harmonische Welle verwendet wird, verschwinden die Vorspannungs- bzw. Verzerrungskomponenten der in den Fig. 58 und 59 dargestellten Lock-in-Verstärker.

Wenn an Stelle des Strahlungsteilers in Fig. 57 ein Polarisations-Strahlungsteiler verwendet wird, werden die Ausgangslaserstrahlen orthogonal polarisierte Wellen.

Fig. 61 zeigt ein Blockdiagramm eines achtzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers, bei dem die Laserausgangswellenlänge so verändert wird, daß sie dem Eingangssignal entspricht. Eine Spule CI 1, die sich von Fig. 34 unterscheidet, bildet eine Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Einflusses. In die beiden Enden der Spule CI 1 wird ein mit der Wellenlänge sich veränderndes Eingangssignal Sin eingegeben. Die Spule CI 1 ist um die Absorptionszelle CL 1 gewunden. Wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 34, wird das Ausgangslicht des Halbleiters auf eine stabile Frequenz von γ _s = f _D/2 eingestellt. Dadurch, daß das entsprechend der Wellenlänge variierbare Eingangssignal Sin an beide Enden der Spule CI 1 angelegt wird, fließt ein elektrischer Strom durch die Spule CI 1 und erzeugt ein dem Eingangssignal Sin entsprechendes magnetisches Feld. Mit Hilfe dieses elektrischen Feldes bringt das Absorptionsspektrum der Standardsubstanz innerhalb des Absorptionselements CL 1 eine Zeeman-Teilung, wodurch die Absorptionswellenlänge verändert wird. Durch die Änderungen der Absorptionswellenlänge wird die Ausgangswellenlänge des Halbleiter-Lasers LD 1, der mit der Absorptionslinie verriegelt ist, verändert. Es ist daher möglich, die Wellenlänge des Laserausgangslichts, das von dem Strahlungsteiler BS 1 abgegeben wird, mit Hilfe des entsprechend der Wellenlänge variablen Eingangssignals Sin zu verändern.

Die so aufgebaute Laserlichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge hat den Vorteil, daß die Wellenlänge variabel ist, während das Halbleiter-Laser- Ausgangslicht stabil, auch stabil bezüglich der Verzögerungsfreiheit, auf das Absorptionssignal der Standardsubstanz verriegelt bzw. eingestellt wird.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Spule zur Erzeugung magnetischer Einflüsse verwendet. Statt dessen kann beispielsweise auch ein Permanentmagnet in einem kleineren oder größeren Abstand bezüglich der Absorptionszelle CL 1 entsprechend dem Eingangssignal Sin angeordnet werden.

Fig. 62 zeigt ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines neunzehnten Ausführungsbeispiels, bei dem gesättigte Absorption in einem Bereich A gemäß Fig. 61 an Stelle der linearen Absorption ausgeführt wird. Das Licht, das mit Hilfe des akusto-optischen Ablenkungselements UM 1 moduliert wurde, fällt als Pumplicht über den Strahlungsteiler BS 10 auf die Absorptionszelle CL 1. Durch das Absorptionselement CL 1 dringendes Licht wird an einem Spiegel M 2 reflektiert und kehrt auf demselben Lichtweg zurück. Das zurückkehrende Licht dient als Probenlicht und fällt wiederum auf die Absorptionszelle CL 1. Das hindurchgetretene Licht wird von dem Strahlungsteiler BS 10 reflektiert, wodurch das Signal der gesättigten Absorption mittels des Photo- Detektors PD 12 erfaßt wird. Andere Vorgänge stimmen mit denen der Vorrichtung gemäß Fig. 61 überein.

Wenn, wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 61, ein mit der Wellenlänge veränderbares Eingangssignal Sin an beide Enden der Spule CI 1 gelegt wird, erzeugt das Absorptionsspektrum der Standardsubstanz in der Absorptionszelle CL 1 eine Zeeman-Trennung, wodurch die Wellenlänge der gesättigten Absorption sich ändert. In den Fig. 63 bis 65 ist mit m _F ein Energieniveau bezeichnet, an dem die Zeeman-Trennung bzw. -Aufspaltung stattfindet und eine magnetische Modulation hervorruft. Die Zeeman-Trennung der entsprechenden Energieniveaus von Cs ist in den Fig. 63 bis 65 dargestellt. Fig. 63 zeigt ein Diagramm einer charakteristischen Kurve des Zeeman-Effekts eines 6²P_3/2-Erregungsniveaus von Cs. Fig. 64 zeigt ein Diagramm einer charakteristischen Kurve des Zeeman-Effekts eines Niveaus einer hyperfeinen Struktur von F = 4, bei dem der Grundzustand von Cs 6²S_1/2 ist. Fig. 65 zeigt ein Diagramm einer charakteristischen Kurve des Zeeman-Effekts des Niveaus einer hyperfeinen Struktur von F = 3, wobei der Grundzustand von Cs 6²S_1/2 ist. Wenn beispielsweise die Frequenz des Halbleiter-Lasers LD 1 auf das Absorptionsspektrum eingestellt wird, welches bei einer Verschiebung von F = 3 bei 6²S_1/2 zu F = 2 von 6²P_3/2 erhalten wird, verschiebt sich das Absorptionsspektrum bei Anlegung eines magnetischen Feldes an die Absorptionszelle CL 1 zu niedrigeren Frequenzen. Als Ergebnis davon verschiebt sich die Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers LD 1 gleichzeitig in Richtung niedrigerer Frequenzen.

Mit Ausnahme der Charakteristika einer Vorrichtung gemäß Fig. 61 ist eine so aufgebaute Vorrichtung zusätzlich dadurch charakterisiert, daß die Änderungen der gesättigten Absorptionsfrequenz groß gegenüber Änderungen des Magnetfelds sind, so daß die Empfindlichkeit zunimmt. Angesichts der Tatsache, daß die Weite des Absorptionsspektrums in der Vorrichtung gemäß Fig. 61 groß gegenüber der in Fig. 62 ist, kann die Ausgangsfrequenz nur auf den Mittelwert der Energieniveaus (F = 3 bis 5 in Fig. 63) der hyperfeinen Struktur eingesteuert werden. Daher wird die Empfindlichkeit kleiner als dieser.

Fig. 66 zeigt ein Blockdiagramm eines zwanzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers, bei dem die Schaltungen des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers in einem IC-Element integriert sind. Mit 30 ist eine integrierte Photoschaltung, ein Photo-IC dargestellt, dessen Substrat beispielsweise aus GaAs oder ähnlichem besteht. Andere auf diesem Substrat gebildete Elemente werden im folgenden beschrieben. Mit LD 10 ist ein Halbleiter-Laser bezeichnet; mit 31 ein Lichtleitungspfad, auf den das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers fällt. Mit UM 10 wird ein akusto-optisches Ablenkungselement (Ultraschallablenkungselement) bezeichnet, auf das das aus dem Lichtpfad 31 tretende Licht fällt. 32 bezeichnet einen weiteren Lichtpfad, auf den das Ausgangslicht des akusto-optischen Ablenkungselements UM 10 fällt. Mit CL 10 wird ein Absorptionselement beschrieben, welches eine Standardsubstanz, inklusive Cs einschließt und in der Lage ist, Licht mit einer spezifischen Wellenlänge zu absorbieren. Das aus dem Lichtleitungspfad 32 tretende Licht fällt auf das Absorptionselement CL 10. Mit PD 10 ist ein Licht empfangendes Element bezeichnet, auf das das von dem Absorptionselement CL 10 austretende Licht fällt. 33 bezeichnet eine Steuereinrichtung, in die die elektrischen Ausgangssignale des Licht empfangenden Elements PD 10 eingegeben werden. In der Steuereinrichtung 33 wird ein Lock-in-Verstärker mit LA 10 bezeichnet, dessen Eingang mit dem Ausgang des Licht empfangenden Elements PD 10 verbunden ist. CT 20 ist eine elektrische Stromsteuerschaltung, die eine PID-Steuerschaltung aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang des Lock-in-Verstärkers LA 10 und deren Ausgang mit einem Strominjektionseingang des Halbleiter-Lasers LD 10 verbunden ist. Mit SG 10 wird eine Signalerzeugungsschaltung, Oszillatorschaltung, mit einer Frequenz fm beschrieben, wobei beispielsweise fm = 2 kHz gilt. Einer der Ausgänge der Signalerzeugungsschaltung SG 10 dient als Referenzsignal- Eingang des Lock-in-Verstärkers LA 10. Mit SG 20 wird eine zweite Signalerzeugungsschaltung (Oszillatorschaltung) mit einer Frequenz f _D von beispielsweise 80 MHz bezeichnet, deren Ausgang mit dem akusto-optischen Ablenkungselement UM 10 verbunden ist, wobei die zweite Signalerzeugungsschaltung mittels des Ausgangssignals der ersten Signalerzeugungsschaltung SG 10 moduliert wird.

Die Funktion der so aufgebauten Vorrichtung stimmt mit der des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers gemäß Fig. 34 überein.

Ein so aufgebauter frequenzstabilisierter Halbleiter- Laser hat die Eigenschaft, daß die Integration auf einem Chip möglich ist und die Vorrichtung daher klein aufgebaut und in Massenproduktion hergestellt werden kann und leicht einstellbar ist.

Fig. 67 gibt eine Tabelle wieder, anhand derer die Teile der in Fig. 66 dargestellten Vorrichtung realisiert werden können. Beispielsweise ist bei einem Silizium- Substrat eine Schaltung für elektrischen Strom monolithisch. In anderen Fällen ist die Schaltung hybrid aufgebaut. Im folgenden werden zur Erläuterung konkrete Beispiele aufgeführt.

Fig. 68 zeigt eine perspektivische Ansicht des wesentlichen Teils eines Ausführungsbeispiels, bei dem der Halbleiter-Laser LD 10 monolithisch auf dem Substrat des Photo-IC′s 30 ausgeführt ist.

Fig. 69 zeigt eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils eines Ausführungsbeispiels mit einem hybriden Aufbau. Fig. 70 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel. In Fig. 69 wird die Endfläche des Lichtleitungspfads 31, der auf dem Substrat des Photo-IC′s 30 gebildet ist, direkt mit dem Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 10 bestrahlt. In Fig. 70 wird das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 10 über ein Prisma PR in den Lichtleiter 31 eingebracht.

Fig. 71 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel, bei dem wie in der Vorrichtung gemäß Fig. 66 eine Ausnehmung durch Ätzen oder ähnliche Verfahren in die Oberfläche des Substrats des Photo-IC′s 30 eingebracht ist. Darüber ist durch Beschichtung oder termische Oxidation eine Glasschicht 34 angeordnet. Eine Standardsubstanz ist in die Ausnehmung eingebracht, die mittels Schmelzverbindung mit einer Glasplatte 35 abgedeckt wird, so daß die Standardsubstanz in dem Absorptionselement CL 10 eingeschlossen ist.

Fig. 72 zeigt einen Schnitt eines weiteren konkreten Ausführungsbeispiels des Absorptionselements CL 10 der Ausführung in Fig. 66. In Fig. 72 ist der Lichtleitungspfad 32 auf dem Substrat 30 aus GaAs oder LiNbO₃ oder ähnlichem zusammengesetzt. Die Standardsubstanz auf dem Lichtleitungspfad 32 ist durch eine Abdeckung 36 abgedeckt und ist so angeordnet, daß sie mittels unterkritischer Effekte das durch den Lichtleitungspfad 32 tretende Licht des Halbleiter-Lasers absorbiert. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß es leichter als das gemäß Fig. 71 herstellbar ist.

Es ist festzuhalten, daß der Photo-Detektor sowohl in dem monolithischem Aufbau als auch in dem hybriden Aufbau der beiden Ausführungsbeispiele einbringbar ist.

Fig. 73 zeigt eine Draufsicht auf ein einundzwanzigstes Ausführungsbeispiel, bei dem das Spektrum gegenüber dem der Vorrichtung in Fig. 66 wesentlich schmaler ist. Auf dem Substrat 30 des Photo-IC′s sind zusätzlich folgende Elemente vorgesehen: Ein Lichtaufteilungselement OB 1, mit dem ein Teil des von dem Halbleiter- Laser LD 10 ausgehenden Ausgangslichtstroms abgezweigt wird; ein Licht-Resonanzelement FP 1, welches aus einem Fabry-Pèrot-Etalon besteht, auf welches das mittels des Lichtaufteilungselements OB 1 abgespaltene Ausgangslicht fällt; ein zweiter Photo-Detektor PD 3, auf welchen das Ausgangslicht des Licht-Resonanzelements FP 1 fällt; sowie ein Breitband-Verstärker A 2, der die elektrischen Ausgangssignale des Photo-Detektors PD 3 verstärkt und die verstärkten Signale zu einem elek- schen Ausgangssignale des Photo-Detektors PD 3 verstärkt und das verstärkte Ausgangssignal an einem elektrischen Injektionsstrom des Halbleiter-Lasers LD 10 zurückführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Breitband-Verstärker A 2, was in Fig. 73 aus Gründen der Vereinfachung skizziert dargestellt ist, in dem Steuerelement 330 vorgesehen. Eine Resonanzkurve, welche von der zentralen Frequenz abweicht, des Licht-Resonanzelements FP 1 wird in Einklang gebracht mit der Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers LD 10. Phasenstörungen in dem Ausgangslichtsignal des Halbleiter-Lasers LD 10 werden von dem Photo-Detektor PD 3 erfaßt, nachdem diese in Amplituden-Modulationssignale umgewandelt wurden, und dessen elektrische Ausgangssignale werden mit negativen Vorzeichen über den Breitband-Verstärker A 2, dessen Bandbereich breiter als die Breite des Spektrums des Halbleiter-Laser-Lichtstrahls ist, in den elektrischen Treiberstrom (elektrischen Injektionsstrom) des Halbleiter-Lasers LD 10 eingegeben, wodurch die Phasenstörungen des Halbleiter-Lasers LD 10 reduziert werden, um das Spektrum noch schmaler zu machen (siehe M. Ohtsu und S. Kotajima; IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. QE-21, No. 12 December, 1985).

Fig. 74(A), 74(B) zeigen perspektivische Ansichten wesentlicher Teile konkreter Ausführungsbeispiele des Fabry-Pèrot-Resonators FP 1, der auf dem Substrat 300 eines Photo-IC′s einer Vorrichtung gemäß Fig. 73 vorgesehen ist. Fig. 74(C) ist eine Draufsicht desselben wesentlichen Bereichs. In Fig. 74(A) sind eine Aussparung 70 in einem Teil des Lichtleitungspfads 61, welcher auf dem Substrat 300 angeordnet ist, sowie zwei Flächen 81, welche zum Teil die Aussparung 70 bilden und einander gegenüberliegen sowie mit Reflexionsschichten beschichtet sind und den Resonator bilden, dargestellt. Fig. 74(B) zeigt zwei Stege 62, die als Lichtleitungspfade dienen und so voneinander beabstandet sind, daß sie auf dem Substrat 300 hintereinander angeordnet, sind, sowie Endflächen 82 der Stege 62, deren Oberflächen einander gegenüber angeordnet sind und eine reflektierende Schicht aufweisen und auf diese Weise den Resonator bilden. In Fig. 74(C) ist ein Material mit hohem Brechungsindex in einem Teil des auf dem Substat 300 vorgesehenen Lichtleitungspfads 63 eingebracht, so daß ein Resonator 83 gebildet wird.

Fig. 75 zeigt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels des wesentlichen Teils einer Vorrichtung zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Lichtresonators FP 1 in der Vorrichtung gemäß Fig. 74 (C). In Fig. 75 sind Elektroden 90 auf beiden Seiten des Resonators 63 in dem Substrat 300 vorgesehen. Die effektive Länge des Resonators 33 wird durch Änderung des Brechungsindexes des Resonators 33 mit Hilfe des elektrischen Stromes eingestellt, der zwischen den Elektroden 90 fließt. Bei einer anderen Vorrichtung zur Einstellung der Resonanzfrequenz wird ein Dünnfilmwiederstand als Heizung in der Nähe des Lichtresonanzelements auf dem Substrat vorgesehen und die Länge des Resonators durch termische Ausdehnung verändert. Schließlich wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine ferroelektrische Substanz als Material mit hohem Brechungsindex eingebracht wird und dieser mit Hilfe eines elektrischen Felds mit dem gleichen Aufbau wie in Fig. 75 verändert wird.

Wenn die Temperatur des Halbleiter-Lasers LD 10 und des Licht-Resonanzelements FP 1 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, werden Dünnfilmwiderstände als Wärmequelle verwendet. In diesem Fall ist es wünschenswert, daß die Wärmequellen in einem möglichst großen Abstand voneinander angeordnet sind, damit sie sich nicht gegenseitig stören.

In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 66 bis 75 wird das Verfahren der linearen Absorption zur Stabilisierung der Laser-Wellenlänge verwendet. Es ist jedoch auch möglich, eine Vorrichtung als IC auszulegen, die nach dem Verfahren der gesättigten Absorption arbeitet.

Fig. 76 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die Absorptionswellenlänge der Standardsubstanz mit Hilfe eines magnetischen Felds moduliert wird. So weit die Vorrichtung von der gemäß Fig. 34 abweicht, wird sie im folgenden beschrieben. CI 1 bezeichnet eine um das Absorptionselement bzw. die Absorptionszelle CL 1 gewundene Spule, die dazu dient, ein elektrisches Feld einwirken zu lassen. Das durch den Strahlungsteiler BS 1 tretende Licht fällt auf das Absorptionselement CL 1 und die Ausgangssignale des Signalgenerators SG 1 dienen dazu, einen elektrischen Strom fließen zu lassen, der mittels der Spule CI 1 mit einer Frequenz fm von beispielsweise 2 kHz moduliert wird, wobei die Ausgangssignale für den Lock-in-Verstärker LA 1 als Referenzsignale dienen. Dadurch, daß die Ausgangssignale des Generators SG 1 an beide Enden der Spule CI 1 angelegt werden, fließt ein durch die Spule CI 1 modulierter Strom, so daß ein elektrisches Feld aufgebaut wird, dessen Intensität sich mit der Frequenz fm ändert. Entsprechend den Änderungen im Magnetfeld ändert sich die Absorptionswellenlänge der in dem Absorptionselement CL 1 vorgesehenen Standardsubstanz aufgrund des Zeeman-Effekts. Als Ergebnis fallen Laserstrahlen auf das Absorptionselement CL 1. Signale sind im Ausgang enthalten, wenn der Betrag des durchtretenden Lichts, wie in Fig. 77 dargestellt, nur an der Stelle des Absorptionssignals moduliert wird. Es wird hier unterstellt, daß das magnetische Feld bei einem bestimmten Wert der Frequenz fm in einem Bereich von 0 moduliert wird. γ _s ist die Absorptionsfrequenz für den Fall, daß der elektrische Ausgangsstrom 0 ist, d. h., wenn das magnetische Feld 0 ist, und wenn f _D der Grad ist, mit dem sich die Absorptionsfrequenz des angelegten magnetischen Felds in der Zeit ändert. Dieses Signal wird mit Hilfe des Photo- Detektors PD 1 in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann mit der Frequenz fm in dem Lock-in-Verstärker LA 1 über den zwischengeschalteten Verstärker A 1 gleichgerichtet, wodurch eine primäre Differentialwellenform erhalten wird, wie sie in dem charakteristischen Diagramm gemäß Fig. 38 dargestellt ist. Wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 34 liefert das Ausgangssignal des Halbleiter-Lasers eine stabile Frequenz von γ _s - f _D/2, wenn das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA 1 mit der Mitte der oben beschriebenen primären Differentialwellenform verriegelt wird, bzw. auf diese eingesteuert wird.

Bei dem beschriebenen frequenzstabilisierten Halbleiter- Laser wird keine akusto-optische Ablenkungseinheit verwendet. Es ist daher möglich, nicht modulierte Ausgangssignale, die eine sehr stabile Verzögerungsfreiheit aufweisen, mit diesem Ausführungsbeispiel zu erhalten, das sehr kompakt und in der Herstellung preiswert ist. Da keine akusto-optische Ablenkungseinheit verwendet wird, wird auch wenig Wärme freigesetzt, so daß der Energieverbrauch reduziert wird.

Darüber hinaus kann die Wirkung der gesättigten Absorption an Stelle der linearen Absorption ausgenützt werden, wenn in den Bereich B in Fig. 76 der Aufbau gemäß Fig. 62 eingesetzt wird. Eine Vorrichtung mit diesem Aufbau hat außer den Vorteilen, die eine Vorrichtung gemäß Fig. 76 aufweist, den Vorteil, daß das Spektrum der gesättigten Absorption auch bei einer schwachen Modulation des elektrischen Feldes variiert werden kann, da die Änderungen der Frequenz der gesättigten Absorption gegenüber den Änderungen der Größe des magnetischen Feldes groß sind. Die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen in dem magnetischen Feld ist groß.

Claims

1. Analysator für optische Frequenzen zur Messung der Frequenzeigenschaften eines Messobjekts mit Hilfe von einfallendem Licht, gekennzeichnet durch einen Wobbler für optische Frequenzen zur Abgabe von frequenzgewobbeltem Licht, einem optischen Interferenz- Detektor, auf den das einfallende Licht sowie ein auf dem Ausgangslicht des Wobblers für optische Frequenzen beruhendes Lichtsignal fallen, und der ein elektrisches Ausgangssignal mit einer der Frequenzdifferenz der beiden Signale entsprechenden Frequenz, eine Filtereinheit, in die ein elektrisches Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors eingegeben wird, sowie eine Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung, in die auf dem elektrischen Ausgangssignal der Filtereinheit beruhende Eingangssignale eingegeben werden.

2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polarisations-Steuerungseinheit zur Steuerung einer Polarisationsebene des einfallenden Lichts sowie eine Photo-Verstärkungsstufe zur Verstärkung des Ausgangslichts der Polarisations-Steuereinheit vorgesehen sind, und daß der optische Interferenz-Detektor elektrische Signale mit einer Frequenz abgibt, die der Differenzfrequenz zwischen dem Ausgangslichts des Wobblers für optische Frequenzen und dem Ausgangslichts des Photo-Verstärkers entspricht.

3. Analysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Photo-Verstärkungsstufe folgende Elemente aufweist: einen Photo-Verstärker, in den das Ausgangslicht der Polarisations-Steuerungseinheit eingegeben wird, eine Quelle zur Abgabe von Wellenlängenstabilisierungslicht sowie eine Mischstufe für optische Frequenzen, in die das Ausgangslicht der Quelle zur Abgabe von Wellenlängenstabilisierungslicht und das Ausgangslicht des Photo-Verstärkers eingegeben werden.

4. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine eine Detektorstufe, in die das elektrische Ausgangssignal der Filtereinheit eingegeben wird, und durch einen Spektralanalysator für optische Frequenzen, der das optische Frequenzspektrum des einfallenden Lichts mißt, indem einer Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung das elektrische Ausgangssignal der Detektorstufe als optisches Spannungssignal und ein dem Wobbelsignal des Wobblers für optische Frequenzen entsprechendes elektrisches Signal als axiales Frequenzeingangssignal eingegeben werden.

5. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzspektrum von Impulslicht dadurch gemessen wird, daß das Impulslicht als einfallendes Licht verwendet wird und der Wobbler für optische Frequenzen stufenweise mittels eines mit dem Impulslicht synchronisierten Signals gewobbelt wird.

6. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wobbler für optische Frequenzen ein erstes Frequenzwobbel-Lichtsignal an das Messobjekt und ein zweites das erste Lichtausgangssignal betreffendes Lichtausgangssignal an eine erste optische Interferenz- Detektorstufe abgibt, daß das Licht, welches das auf das Messobjekt einfallende, auf dem ersten Lichtausgangssignal beruhende Licht betrifft, auf die erste optische Interferenz-Detektorstufe fällt, daß das elektrische Ausgangssignal der ersten optischen Interferenz- Detektorstufe an ein erstes Filter abgegeben wird, daß eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, die das elektrische Ausgangssignal des ersten Filters mit dem elektrischen Signal vergleicht, welches eine Frequenz entsprechend der Differenz zwischen dem ersten Lichtausgangssignal und dem zweiten Lichtausgangssignal aufweist, und daß eine Signalverarbeitungseinrichtung das elektrische Ausgangssignal der Komparatorstufe empfängt, sodaß darin eine Signalverarbeitung ausgeführt wird.

7. Analysator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine zweite optische Interferenz-Detektorstufe, in die das erste und zweite Lichtausgangssignal eingegeben wird, ein zweites Filter, in das das elektrische Ausgangssignal der zweiten optischen Interferenz-Detektorstufe eingegeben wird, wobei eine Komparatorstufe das elektrische Ausgangssignal des zweiten Filters mit dem elektrischen Ausgangssignal des ersten Filters vergleicht.

8. Analysator nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe eine Amplitudenvergleichseinrichtung aufweist.

9. Analysator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe eine Phasenvergleichseinrichrung aufweist.

10. Analysator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Filter ein Bandpassfilter aufweist, dessen Durchlaßfrequenzband der Differenz zwischen den beiden Ausgangsfrequenzen des Wobblers für optische Frequenzen entspricht.

11. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wobbler für optische Frequenzen eine eine Markierung aufweisende Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge aufweist, die folgende Elemente umfaßt: einen abstimmbaren Laser, der entsprechend einem eingegebenen elektrischen Wobbelsignal frequenzgewobbeltes Licht abgibt, sowie eine Markierungslichtquelle, die in einem bestimmten Wellenlängenintervall ein Markierungslicht abgibt, wobei die Signal- Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung die Frequenzeigenschaften des Messobjekts gemeinsam mit einer Markierung ausgibt.

12. Analysator nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein Licht empfangendes Element, welches das Ausgangslicht der Markierungslichtquelle in ein elektrisches Signal umwandelt, wobei das elektrische Signal das Markierungseingangssignal der Signal- Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung ist.

13. Analysator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungslichtquelle eine eine Standardsubstanz einschließende Absorptionszelle aufweist, auf die das Ausgangslicht des abstimmbaren Lasers trifft, wobei das durchtretende Licht als Markierungslicht abgegeben wird, welches entsprechend der Standardsubstanz bei einer spezifischen Wellenlänge einer Absorption unterworfen wird.

14. Analysator nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungslichtquelle einen Fabry-Pèrot-Resonator aufweist, in den das Ausgangslicht der abstimmbaren Laser-Lichtquelle eingegeben wird, wobei das Ausgangslicht des Fabry-Pèrot-Resonators als Markierungslicht ausgegeben wird.

15. Analysator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektro-optisches Element in den Fabry-Pèrot-Resonator eingebracht ist und daß ein entsprechendes Intervall der Resonanz durch ein elektrisches Signal variiert wird.

16. Analysator nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungslichtquelle eine Lichtquelle mit aufeinanderfolgenden Spektren sowie einen Fabry-Pèrot- Resonator aufweist, auf den das Ausgangslicht der Lichtquelle fällt, und daß das Lichtausgangssignal des Fabry- Pèrot-Resonators als Markierungslicht abgegeben wird.

17. Analysator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektro-optisches Element in den Fabry-Pèrot-Resonator eingebracht ist, und daß ein entsprechendes Resonanz-Intervall durch das elektrische Signal verändert wird.

18. Analysator nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungslichtquelle einen Halbleiter-Laser mit externem Resonator aufweist.

19. Analysator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein abstimmbarer Laser einen in einem Laser-Resonator angeordneten Ultraschall-Modulator aufweist.

20. Analysator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der abstimmbare Laser ein in einem Laser-Resonator eingeschlossenes elektro-optisches Element aufweist.

21. Analysator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Markierung aufweisende Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge eine Referenzwellenlängen- Laserlichtquelle aufweist, die Licht mit einer gegebenen Wellenlänge abgibt.

22. Analysator nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle eine derartige Lichtquelle aufweist, daß eine Oszillationswellenlänge einer Laser-Diode durch Absorptionsspektren von Atomen gesteuert werden.

23. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Wobbler für optische Frequenzen einen Generator/ Wobbler für optische Frequenzen aufweist, der eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle sowie einen optischen phasenverriegelten Kreis (optischen PLL) zur Steuerung einer Wellenlänge des Lichtausgangssignals aufweist, sodaß diese einer Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen- Lichtquelle entspricht, wobei der Generator/ Wobbler für optische Frequenzen so ausgelegt ist, daß die Wellenlänge des Ausgangslichts des optischen PLL variabel ist.

24. Analysator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle eine derartige Lichtquelle aufweist, daß die Oszillationswellenlänge einer Laser-Diode auf das Absorptionsspektrum einer der D₂-Linien (780 nm) von Rb-Atomen und D₁-Linien (795 nm) verriegelt wird, und daß der optische PLL Licht mit einem Wellenlängenband abgibt, das doppelt so breit wie die Oszillationswellenlänge ist.

25. Analysator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle eine derartige Lichtquelle aufweist, daß die Oszillationswellenlänge der Laser-Diode auf das Absorptionsspektrum von Rb- Atomen oder Cs-Atomen eingesteuert wird.

26. Analysator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle folgende Elemente aufweist: eine Modulationsstufe, die eine Frequenzmodulation ausführt, indem ein Teil des Ausgangslichts einer Halbleiter-Diode einfallengelassen wird, eine die Standardsubstanz einschließende Absorptionszelle, welche bei einer gegebenen Wellenlänge eine Absorption hervorruft, indem sie dem Ausgangslicht der Modulationsstufe ausgesetzt wird; einen Photo-Detektor zur Umwandlung des durch die Absorptionszelle tretenden Lichts in ein elektrisches Signal sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Osziallationswellenlänge des Halbleiter-Lasers, indem das auf dem elektrischen Ausgangssignal des Photo-Detektors beruhende Signal eingegeben wird.

27. Analysator nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung folgende Elemente aufweist: einen Lock-in-Verstärker, in den ein auf dem elektrischen Ausgangssignal des Photo-Detektors beruhendes Signal eingegeben wird und der eine synchrone Gleichrichtung bei einer Frequenz der Modulationseinrichtung oder bei einem ungeraden Vielfachen davon ausführt, sowie eine Steuerschaltung, die den elektrischen Strom des Halbleiter-Lasers oder dessen Temperatur so steuert, daß das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers einen spezifischen Wert annimmt.

28. Analysator nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulationsstufe eine akusto-optische Ablenkungseinheit verwendet wird.

29. Analysator nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulationsstufe ein Phasen-Modulator verwendet wird, der ein elektro-optisches Element aufweist.

30. Analysator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle folgende Elemente aufweist: eine eine Standardsubstanz einschließende Absorptionszelle, welche bei einer spezifischen Wellenlänge eine Absorption verursacht und auf die auf dem Ausgangslicht des Halbleiter-Laser beruhendes Licht einfällt; eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zur Anlegung eines magnetischen Feldes an die Absorptionszelle; eine Modulationseinrichtung zur Änderung der Intensität des von der Einrichtung zur Erzeugung von Magnetfeldern abgegebenen Magnetfelds bei einer festen Frequenz sowie einen Photo-Detektor, der durch die Absorptionszelle tretendes Licht in ein elektrisches Signal umwandelt, wobei ein elektrischer Strom oder eine Temperatur des Halbleiter-Lasers mittels eines das elektrische Ausgangssignal des Photo-Detektors betreffenden Signals gesteuert wird.

31. Analysator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der optische PLL folgende Elemente aufweist: einen optischen Interferenz-Detektor zur Aufnahme von Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle als Eingangssignal von einer Seite sowie eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, in der die Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts mittels eines mit dem elektrischen Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors zusammenhängenden Ausgangssignals gesteuert wird, wobei Licht, das mit dem Ausgangslicht der Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge in Beziehung steht, als Eingangssignal der anderen Seite an den optischen Interferenz-Detektor abgegeben wird.

32. Analysator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der optische PLL folgende Elemente aufweist: einen optischen Interferenz-Detektor zur Aufnahme von Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle als Eingangssignal von der einen Seite, eine Lichtquell zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, in der die Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts mittels eines auf dem elektrischen Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors beruhenden Ausgangssignals gesteuert wird, sowie eine optische Frequenzverschiebungseinrichtung zur Verschiebung einer Frequenz des auf dem Ausgangslicht der Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge beruhenden Lichts, wobei das auf dem Ausgangslicht der optischen Frequenzverschiebungseinrichtung beruhende Licht als Eingangssignal von der anderen Seite dem optischen Interferenz-Detektor eingegeben wird.

33. Analysator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der optische PLL folgende Elemente aufweist: einen optischen Interferenz-Detektor zur Aufnahme von Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle als Eingangssignal von der einen Seite, eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, in der die Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts durch ein auf dem elektrischen Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors beruhenden Ausgangssignal gesteuert wird, sowie eine optische Frequenzmultiplikationsstufe zur Multiplikation der Frequenz des auf dem Ausgangslicht der Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge beruhenden Lichts, die dafür sorgt, daß das auf ihrem Ausgangslicht beruhende Licht in den optischen Interferenz-Detektor als Eingangssignal von der anderen Seite eingegeben wird.

34. Analysator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der optische PLL folgende Elemente aufweist: einen optischen Interferenz-Detektor zur Aufnahme von Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle als Eingangssignal von der einen Seite, eine Mischstufe, in die das elektrische Asugangssignal des optischen Interferenz-Detektors eingegeben wird, sowie eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, in der die Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts mittels eines auf dem elektrischen Ausgangssignal der Mischstufe beruhenden Ausgangssignals gesteuert wird, und die mit dem Ausgangslicht der Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge zusammenhängendes Licht als Eingangssignal von der anderen Seite an den optischen Interferenz-Detektor abgibt.

35. Verfahren zur Analyse optischer Frequenzen mit Hilfe des Analysators nach Anspruch 1 bis 34.